WO2007046518A1

WO2007046518A1 - ディーゼルエンジンの排気浄化装置

Info

Publication number: WO2007046518A1
Application number: PCT/JP2006/320995
Authority: WO
Inventors: Toshitaka Minami
Original assignee: Isuzu Motors Limited
Priority date: 2005-10-19
Filing date: 2006-10-17
Publication date: 2007-04-26
Also published as: US20090250041A1; EP1939422A4; JP2007113434A; CN101283169B; EP1939422B1; JP4977993B2; EP1939422A1; DE602006019460D1; CN101283169A

Abstract

本発明は、触媒を用いた連続再生式ＤＰＦを備えたディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置に関するものである。連続再生式ＤＰＦ１２を備えたディーゼルエンジンの排気通路７にバイパス通路を設けて小容量の第２連続再生式ＤＰＦ１３を設置し、低排気温度領域では第２連続再生式ＤＰＦ１３によりＰＭを捕集する。このとき、シリンダ内に噴射する燃料の噴射時期を早めた予混合燃焼を行わせＰＭの生成量を減少させる。そのため、第２連続再生式ＤＰＦ１３が小容量であっても十分な捕集が可能となる。また、ＮＯｘの生成を抑制するため、冷却された排気ガスをシリンダ内に再循環し、さらに、排気通路７には尿素添加ＳＣＲ触媒を設置して排気ガス中のＮＯｘの還元分解を行い、より一層の低減を図る。

Description

明細書ディーゼルエンジンの排気浄化装置

技術分野

本発明は、ディーゼルエンジンにおいて、その排気ガス中のパティキュレート（PM)及び窒素酸化物（NOx)を除去するための排気浄ィヒ装置に関する。背景技術 - 車両用エンジン、特にディーゼルエンジンに対する排気ガスの規制は、近年、逐次強化されると.ともに将来もより厳しい規制の実施が予定されている。ディーゼルエンジンは、シリンダ内に供給された空気を圧縮した後に燃料を噴射して燃焼させるエンジンであり、ガソリンエンジと比べると、一般的に熱効率が高く、二酸化炭素（C〇₂) の排出 4はその分少なくなるという優れた特性を有しているものの、未燃焼成分等の粒子状物質からなるパティキュレート： PM、及び窒素酸化物： NOxについては、その低減が強く要請されている。ディーゼルエンジンの排気ガスから PMを除去する装置として、フィルタによって PMを捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ（以下「DPFJ という。）が知られており、実用化もされている。この DPFには、エンジンが繰り返し運転されることによって捕集した PMが堆積するから、捕集した P Mを燃焼して DP Fを再生させる必要がある。 DPFを再生するため、近年では、 DPFの排気ガス上流に酸化触媒を設置し、 0? に捕集した？1^をェンジン作動中に連続して酸化 ·除去させて DPFを再生させる方式（以下「連続再生式 DPF」という）が注目されている。このような連続再生式 DP Fの一例は、特許第 3012249号に開示されている。

連続再生式 D P Fでは、加熱ヒータなどを装着することなくディ一ゼルェンジン作動中に連続して D P Fを再生できるが、酸化触媒の温度によって D P F を再生させる機能が制約を受ける。つまり、酸化触媒の温度がほぼ 250°C〜 400°Cの領域では、排気ガス中の NOを酸化して N0₂を生成させてこの N 0₂によって DP Fに捕集した PMを酸化 '除去させ、また、それ以上の高温では触媒作用によって排気ガス中の酸素と PMとの酸化反応を生じさせ、 DP Fを再生する。しかし、酸化触媒の温度が約 250°C以下となると十分な酸化作用が行われない。したがって、ディーゼルエンジンの排気ガスが約 250°C 以下の温度領域では、再生が行われないまま D P Fに PMが捕集され続けることになる。その PMが多量に溜め込まれた状態で PMの酸化が発生すると DP F内で一気に反応が進行しフィルタの耐久性を著しく損ねるなどの問題が発生する。連続再生式 DP Fにおけるこのような問題に対処するため、本出願人は、特願 2003— 40.3714号（特開 2005— 163630号公報参照）において、連続再生式 D P Fが配置されたディーゼルエンジンの排気通路の上流に、この排気通路をバイパスするバイパス通路と小容量の第 2の連続再生式 D P Fとを設け、ディーゼル^ンジンの排気温度が低い領域では、排気ガス温度上昇手段を作動させるとともに排気ガスを第 2の連続再生式 D P Fを通過ざせるようにしたディーゼルエンジンの排気浄化装置を提案している。なお、この提案のディーゼルエンジンにおけるバイパス通路に設置される第 2の連続再生式 DP Fの構成等は、図 1に示される本発明のディーゼルエンジンにおけるものと同様な構成となっている。

この提案のディーゼルエンジンでは、 NO Xの低減を図るため、エンジンの排気ガスを冷却して吸気通路に再循環する、いわゆるクール EG R技術と、吸気行程中にシリンダ内に排気ガスを逆流させる排気導入機構、いわゆる内部 E GR技術とを併せて採用する。そして、これらを排気温度等に応じて制御することにより、ディーゼルエンジンの運転状態に応じた PM及び NO Xの低減が可能なように構成されている。ところで、ディーゼルエンジンの燃焼過程で発生する PMを抑制する技術として、予混合圧縮自己着火燃焼方式（HCC Iく Homo g e n e o u s C h a r g e Comp r e s s i o n I g n i t i o n〉) と呼はれる燃焼方法が最近注目され、開発が進められている。 HCC Iは、ディーゼルェンジンのシリンダ内に早めに燃料を噴射し、空気と予め混合した状態で圧縮を行い、圧縮着火した後には急速に燃焼を完了させる燃焼方式であって、 PM等未燃焼成分の生成防止や熱効率の向上の点における効果は大きい。 HCC I燃焼方式を有するディーゼルエンジンは、例えば特開 2003— 138952号公報に示されている。本出願人の提案にかかる上記特開 2005— 163630号公報のディーゼルエンジンにおいては、排気ガス温度の低い運転領域では、バイパス通路に設置した第 2連続再生式 DP Fによって PMを良好に捕集し再生することができ、主要な PM除去装置である第 1の連続再生式 D P Fに過剰な PMが蓄積されるような事態を防止しながら、排気ガス温度の低い領域から高い領域まで , PMの排出を低減できる。また、 NO Xを低減するため、 EGR通路の途中に介在させた冷却器により,排気ガスを冷却して吸気管に再循環するクール E G Rを採用し、かつ、エンジンの運転状況に応じて再循環量を制御して、ェンジン運転領域の広い範囲にわたって PMと NO Xとを同時に低減させている。

'しカゝし、車両を駆動するディーゼルエンジンの負荷は種々の要因で大きく変動し、それに応じて NO X及び PMが多量に発生する場合がある。殊に ΝΟχ は加速時等において発生量が増加するが、クール E G Rにより再循環する排気ガス量を極端に増大すると失火などを生じるため、 E G R技術で対処するにも限界がある。ディーゼルエンジンの NO Xを全ての運転領域において、より一層、確実に低減するには、排気系に NO Xを分解する触媒を設置することが望ましい。

NO Xを分解する触媒としては、排気ガス中に尿素を添加して、加水分解により発生するアンモニアを選択還元触媒の還元剤として使用する NO X還元触媒（以下「尿素添加 SCR触媒」という。）がよく知られている。尿素添カロ S C R触媒を使用すると NO Xを確実に減少させることができるものの、ディ一ゼルェンジンの排気ガス中に噴射する尿素をタンク等に貯留する必要がある。この尿素は、ディーゼルエンジンの運転中に徐々に消費されるから長時間の運転のためには大量の尿素を貯留しなければならない。' さらに、上記特開 2005- 163630号公報のディーゼルエンジンは、排気ガス温度の低い運転領域においてバイパス通路に設置した第 2連続再生式 DP Fにより PMを捕集し再生するものであって、第 2連続再生式 DP Fはなるべく小容量なものとして温度を迅速に上昇させる必要がある。 DPFを小容量なものとすると、大量の PMが発生したときはその DPFが目詰まりを起こすとともに、堆積した PMがー時に燃焼すると焼損を起こす虞れがある。本発明は、本出願人の提案した上記特開 2005— 163630号公報のディ一ゼルェンジンにおけるこのような問題を解決し、ディーゼルェンジンの様々な運転領域において良好に NO X及び PMの低減を達成することを課題とする。 ' 発明の開示

上記の課題に鑑み、本発明は、エンジンの排気系に尿素添加 SCR触媒を設置して NO Xを確実に低減すると同時に、排気ガス温度の低い運転領域では、予混合圧縮自己着火燃焼方式： HC C Iの技術を利用して PMを低減させるものである。すなわち、本発明者は、 HCC Iの技術を上記特開.2005- 16 36 30号公報のディーゼルエンジンに適用したときには非常に優れた効果をもたらすことを見出し、 HCC Iの技術を巧みに用いて本発明を完成させたもので、具体的には、請求の範囲第 1項に記載のように、本発明は次のとおり構成されている。 '

「エンジンの排気通路に配置された第 1の連続再生式 D P Fと、前記第 1の連続再生式 D P Fよりも上流側の排気通路をバイパスするバイパス通路に配設され前記第 1の連続再生式 D P Fよりも容量の小さい第 2の連続再生式 D P Fと、前記バイパス通路の出入口間の排気通路に配設され排気ガスの流路を切り換える切替弁とを有し、かつ、'

排気ガス再循環量を制御する EG R弁及び排気ガスを冷却する冷却器を介してェンジンの吸気通路に冷却した排気ガスを再循環する E G R装置と、前記ェンジンの排気出口をエンジン吸気行程において短時間エンジンのシリンダに連通させる排気ガス導入機構とを有しており、

エンジンの排気温度が低い低排気度領域では、前記切替弁の開度を小として前記第 2の連続再生式 D P Fに排気ガスを流入させるディーゼルエンジンにおいて、

前記低排気温度領域では、前記ディ一ゼルエンジンに噴射する燃料の噴射時期を、それ以外の温度領域の噴射時期よりも早めるとともに、前記 EGR弁を開いて、前記 EG R装置及び前記排気ガス導入機構からの排気ガスの再循環を実施し、さらに、

前記排気通路には尿素供給装置を備えた NO X還元触媒装置を設置し、前記低排気温度領域以外の領域では、 N O X還元触媒装置に尿素を供給することを特徴とするディーゼルエンジンの排気浄化装置」 '

ここで「連続再生式 D P F」とは、前述したように、酸化触媒と D P Fとを組み合わせ、触媒の作用によって D P Fに蓄積された P Mをエンジン作動中に連続して酸化 ·除去するものをいう。上記のとおり構成された本発明のディーゼルエンジンでは、バイパス通路に第 2連続再生式 DP F配設し、排気ガス温度の低い運転領域（低排気温度領域）ではバイパス通路に排気ガスを通過させて、その DP Fに PMを捕集する。第 2連続再生式 D P Fは、容量が小さくエンジンの排気ガス出口近傍に設置されているから、排気ガス温度の上昇によって第 1連続再生式 DP Fよりも迅速に触媒の活性温度に達して捕集した PMが良好に酸化除去され、主要な PM除去装置である第 1連続再生式 D P Fに過剰な P Mが蓄積される事態を防止できる。さらに、冷却した排気ガスを吸気通路に再循環するクール EG Rを実施したことに伴い、燃焼過程等で生成する NO Xを大幅に低減させることができる。こうした作用効果は、上記特開 2005— 163630号公報に示されるディーゼルエンジンと共通するものである。

そして、本発明のディーゼルエンジンでは、低排気温度領域において、シリンダ内に噴射する燃料の噴射時期を早め、空気と予め混合した状態で圧縮した後圧縮着火させる HCC I燃焼を行わせる。 HCC I燃焼では、着火後急速に燃焼が完了し P M等未燃焼成分の生成が少ないから、ディーゼルエンジンにおける通常の燃焼方式、つまり、上死点付近で燃料を噴射し高温の空気と混合しながら順次燃焼させる拡散燃焼方式、と比較すると、低排気温度領域で第 2連続再生式 D P Fに捕集される P Mが非常に減少する。したがって、その D P F が小容量であっても確実に捕集することができるとともに、排気ガス温度が上昇すると小容量の第 2連続再生式 D P Fの酸化触媒が急速に活性化するので、捕集した P Mが迅速に酸化 ·除去されることとなる。一般に H C C I燃焼では、圧縮着火をさせる際の着火哼期の制御が困難な面があり、過早着火が起こりやすい。これに対し、本発明では、クール E G Rによりシリンダ内に再循環する排気ガスの量を制御して、着火時期を適正なものとすることができる。さらに、本発明のディーゼルエンジンは、エンジン吸気行程において排気出口を短時間エンジンのシリンダ内に連通させる、内部 E G Rによる排気ガス導入機構を備えている。この排気ガス導入機構から還流する排気ガスは、排気ガス出口の直後の排気ガスであって温度が高く、また、燃焼中間生成物等を含んでいる。このよう排気ガスが燃焼室の上部のシリンダへッド付近に溜まることとなるため、本発明の H C C I燃焼では、予混合された混合気の着火後の燃焼が促進され、より一層 P M等の生成が少ない燃焼を行わせることができる。

このように、本発明のディーゼルエンジンでは、低排気温度領域においてもクール E G Rによ'りシリンダ内に排気ガスを再循環し、内部 E G Rにより排気ガス導入するので、低排気温度領域の N O Xの発生を抑制できる。そのため、本発明のディーゼルエンジンの排気ガス通路に設置された尿素添加 S C R触媒を、低排気温度領域においては機能させる必要はなく、その分、エンジン作動中に添加する尿素を節約して尿素タンクに備蓄する尿素量を減少することができる。請求の範囲第 2項に記載のように、前記ディーゼルエンジンにはコモンレール式燃料噴射装置を採用し、前記低排気温度領域では、前記ディーゼルェンジンに噴射する燃料の噴射時期が上死点前 3 0 ° から 2 0 ° の範囲に設定することが好ましい。コモンレール式料噴射装置は、コモンレールと呼ばれる高圧の燃料貯留管から電磁弁により制御しながら燃料を噴射するもので、ディーゼルンジンの燃料噴射量や噴射時期を正確にコント口ールすることが可能である。また、本発明の E G R装置等を有するディーゼルエンジンで H C C I 燃焼を行わせるときは、噴射時期を極端に早める必要はなく、上死点前 3 0 ° から 2 0 ° の範囲に設定するのが適当である。

また、請求の範囲第 3項に記載のように、前記ディーゼルエンジンにはコモ）ンレール式燃料噴射装置を採用し、前記低排気温度領域以外の領域では、前記ディーゼルエンジンに上死点付近で主噴射を行い、その主噴射の 1 0 ° から 2 0 ° 以前の時点でパイロット噴射を行うよう構成することが好ましい。このように、燃料噴射を主噴射とパイロット噴射とに分割して行ったときは、良好な . 熱効率を確保しながら騒音の少ない、かつ、 P Mや N O Xの生成の少ない燃焼を実現できる。 . 請求の範囲第 4項に記載のように、尿素添加 S C R触媒を、，前記第 1の連続再生式 D P Fよりも上流側、かつ、前記第 2の連続再生式 D P Fよりも下流側の前記排気通路に設置することができる。この場合には、尿素添加 S C R触媒が排気通路の比較的温度の高い場所に配置されることとなり、 S C R触媒の活性化のために有利となる。請求の範囲第 5項に記載のように、前記ディーゼルエンジンにおいて、吸気通路及び排気通路にそれぞれ吸気シャッタと排気シャッタとを配設し、前記低排気温度領域では、前記吸気シャツタ及び前記排気シャツタの開度を小として、前記吸気通路及び前記排気通路を絞るよう制御することができる。これによつて、エンジンの空気過剰率が減少し、排気ガスの温度を上昇させることができる結果、バイパス通路に配設した第 2連続再生式 D P Fを急速に活性化することが可能となる。そして、前記低排気温度領域以外の領域では、請求の範囲第 6項に記載のように、前記切替弁の開度が大となるとともに、エンジンの排気温度が前記低排気温度領域よりも高い中間排気温度領域においては、前記吸気シャッタ及び前記排気シャッタの開度が前記低排気温度領域のときよりも大となり、さらに、エンジンの排気温度が前記中間排気温度領域を超えた高排気温度領域においては、前記吸気シャッタ及び前記排気シャッタが全開となるよう制御することが好ましい。この場合には、 N O X低減効果の優れたクール E G Rの量を、ディーゼルエンジンの排気温度領域、つまり運転状況に応じて適正な値とすることが容易となる。そして、クール E G R、吸気シャツタ、排気シャツタ等のきめ細かな制御を行うことにより、エンジンの運転性あるいは燃、料経済性に悪影響を与えることなく、 N O Xの低減を実現することができる。図面の簡単な説明

図 1は、本発明に基づくディ一せルエンジンの排気浄化装置の概略図である。図 2は、本発明における排気ガス導入機構の実施形態を示す図である。

図 3は、本発明における予混合燃焼時の排気ガス特性を示す図である。

図 4は、本発明における排気温度領域マップである。

図 5は、本発明における排気温度領域別の制御態様を示す表である。発明を実施するための最良の形態

以下、図面を参照しながら、本発明を実施したディーゼルエンジンの排気浄化装置について説明する。

まず、本発明のディーゼルエンジン 1の全体的な概略図を示す図 1において、シリンダブ口ック及びシリンダへッド等からなるエンジン本体 2には、吸気通路 5の一部を構成する吸気マ二ホールド 3および排気通路 7の一部を構成する排気マ二ホールド 4が配設されている。吸気通路 5の最上流部に吸入空気を清浄化するエアクリーナ 6が配設されており、エアクリーナ 6で清浄化された吸入空気は吸気通路 5を通り吸気マ二ホールド 3を介してシリンダ内に供給される。排気マ-ホールド 4には排気管通路 7が接続されており、シリンダ内で生成された排気ガスは排気マ-ホールド 4及び排気通路 7を通して排出される。図示のディーゼルエンジンは、吸入空気を過給するためのターボチャージャ一 8を備えている。ターボチャージヤー 8は、排気通路 7に配設された排気タビン 81と、吸気通路 5に配設された吸気コンプレッサ 82とを有している。この実施形態のディーゼルエンジンは、ターボチャージヤーを備えているが、本発明の排気浄化装置は、ターボチャージヤー等により過給を行うエンジンに限らず、大気圧のまま吸気を行う自然吸気エンジンにも、もちろん適用可能である。 ' 排気タービン 81より下流の排気通路 7における排気ガス出口の手前には；上流側に酸化触媒 121、下流側に D PF 122を有す^)第 1の連続再生式 D P F 12が配設されている。連続再生式 D PF 1 2の酸化触媒 121 'は、白金等の貴金属からなる触媒活性成分を担持させたコート層を、ハニカム状の担体の表面に備えたものであって、排気ガス中の N.Oを酸化して NO ₂を生成させるとともに、排気ガス中の HCと COを酸ィ匕して H₂Oと C0₂を生成させる。 DPF 122には、多数のセルが平行に形成されセルの入口と出口が交互に閉鎖された、いわゆるウォールフロー型と呼ばれるハニカムフィルタや、セラミック繊維をステンレス多孔管に何層にも巻き付けた繊維型フィルタが使用され、排気ガス中の PMを捕集する。

酸化触媒 1 2 1及び DPF 1 22により構成された連続再生式 DP F 12 では、酸化触媒 1 21の温度が約 250〜400°Cの温度範囲において、酸化触媒 121によって排気ガス中の NOを N0₂に酸化させ、酸化触媒 121の下流側に配設した DP F 122に捕集された PMを酸ィヒ ·除去させる。このため、電気ヒータやパーナ等の特別な加熱手段を設ける必要がなく、連続再生式 D PFは装置全体を簡易に且つコンパクトにできるという利点を有している。また、 400°C以上の高温では触媒作用によって排気ガス中の酸素と PMとの酸化反応を生じさせ、 DP Fを再生する。連続再生式 DP Fとしては、 DPF の表面に酸化触媒となる材料を直接担持させて一体的に構成された連続再生式 D P Fや、 NO X吸蔵還元型触媒を D P Fに担持させた連続再生式 D P Fも知られており、本発明の連続再生式 DPFとして、こうしたものを使用することもできる。

排気マユホールド 4の直後の排気通路 Ίには、排気通路をバイパスするバイパス通路 101が配設されている。このバイパス通路 101には、第 1の連続再生式 DP F 12と同様に、酸化触媒及びパティキュレートフィルタを有する第 2の連続再生式 DP F 13が配設されている。ただし、この第 2の連続再生式 DPF 13の容量は、第 1の連続再生式 DP F 1 2の容量より小さく構成されている。

バイパス通路 101の出入口間の排気通路 7には、排気ガスの流路を切り換、える切替弁 102が配設されている。この切替弁 102は制御装置 10により制御され、排気通路 7を閉じると排気マ二ホールド 4から排出される排気ガスをバイパス通路 1.01及び第 2の連^再生式 D P F 13に流入せしめる。このような第 1及び第 2の連続再生式 D P Fの構成や配置は、本出願人の提案に係る特開 2005- 163630号公報のディーゼルエンジンと基本的には変わりはない。また、図示のディーゼルエンジンは、排気タービン 81より上流側の排気通路 7と吸気コンプレッサ 82より下流側の吸気通路 5とを連絡する EG R通路 9を具備している。 £0 通路9の途中には£0! バルプ1 1とともに排気ガスの冷却器 200が介在されている。排気ガスの冷却器 200は、エンジンの冷却水などとの熱交換により、吸気通路に再循環する高温の排気ガスを冷却するためのものである。冷却した排気ガスを吸気通路に再循環する、つまりクール EG Rを採用すると、シリンダ内に投入する排気ガスの充填効率が向上し、また、排気ガスの温度も低いため、シリンダ内の燃焼温度を低下させる効果が大きく、それに伴って NO Xの抑制効果も増大したものとなる。 EGRバルブ 1 1は、例えば図示しない負圧タンクに接続された負圧ァクチユエータを備えており、後述する制御装置 10により運転状態に応じて供給される負圧量が制御されることにより、その開度即ち EGR率が制御される。

エンジンの排気バルブ作動機構には、吸気行程中においてシリンダの排気通路をシリンダに開放する排気ガス導入機構 41を具備している。すなわち、図 2に示すように、排気バルブ作動機構の排気カム 4 2は、排気行程で排気バルブ 4 0を作動する通常のカムプロフィール（カム突起部） 4 2 1と、該カムプロフィールと回転方向後側に略 9 0 ° の位相角をもって形成された排気導入カムプロフィール 4 2 2とを備えた排気二段カムとなっている。排気カム 4 2 に形成された排気導入カムプロフィール 4 2 2によって、吸気行程中に排気バルブ 4 0が僅かに開いて排気出口の排気ガスがシリンダ内に逆流し、いわゆる内部 E G Rが行われる。なお、园 2において、 3 0は吸気バルブを、 3 1は吸気カムを示している。こうした排気導入を行わせる機構としては、排気出口を分岐してシリンダ内に開口させ、その開口部に電磁バルブで作動する小型のバルブを設け、吸気行程においてリフトさせるようにしてもよい。本発明のディーゼルエンジンの排気通路 7には、第 1の連続再生式 D P F 1 2よりも上流側に N O Xを還元し分解する尿素添加 S C R触媒 1 4が設置されている。尿素添加 S C R触媒 1 4の入口には、尿素水を噴射する尿素インジェクタ 1 4 1.が取り付けてあり、尿素インジェクタ 1 4 1には、尿素水タンク 1 4 2からの尿素水の配管と、図示しないエアタンクからの;^圧空気の配管 1 4 3が接続される。ディーセルエンジンのシリンダから排出される N O Xをさらに低減させる必要があるときは、尿素インジェクタ 1 4 1から尿素水を噴霧し、尿素添カ卩 S C R触媒 1 4により還元作用を行わせる。

この実施形態のディーゼルエンジンは、吸気通路 5における E G R通路 9の連結部よりも上流側に配設され吸入空気量を制限する吸気シャッタ 2 2を備えている。この吸気シャツタ 2 2は、高負荷運転時には全開に保持されている。また、排気通路 7における E G R通路 9の連結部よりも下流側には、排気ガスの流出を制限する排気シャツタ 2 3が配設されている。この排気シャツタ 2 3 も上記吸気シャッタ 2 2と同様に、高負荷運転時では全開に保持されている。なお、吸気シャッタ 2 2および排気シャッタ 2 3は、図示しない負圧タンクに接続された負圧ァクチユエータを備えており、制御装置 1 0により運転状態に応じて供給される負圧量が制御されることにより、その開度が制御される。本発明のディ一ゼルエンジンは、低排気温度領域において予混合圧縮自己着火燃焼方式、すなわち H C C I燃焼を行わせるものであって、燃料噴射装置として、各シリンダに設置される燃料噴射弁を電磁弁 1 8により制御しながら、高圧のコモンレールから燃料を噴射するコモンレール式燃料噴射装置を備えている。そのため、ディーゼルエンジンの制御装置 1 0は、上記 E G Rバルブ 1 1、切替弁 1 0 2、尿素ィンジェクタ 1 4 1、吸気シャツタ 2 2及び排気シャッタ 2 3等を制御する外、エンジンの回転速度を検出するエンジン回転速度' 検出センサ 1 5、アクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）を検出するァクセルセンサ 1 6、吸気マ二ホールド 3内に配設されシリンダ内に吸入される、吸気の温度を検出する吸気温度センサ 1 7等からの検出信号に基づいて電磁弁 1 8をコントロールし、シリンダ内に噴射される燃料の噴射量及び噴射時期

，ノ

を制御する。制御装置 1 0は、エンジン回転速度とアクセル開度をパラメータとして燃料噴射量を設定するメモリを具備し、エンジン回転速度及びアクセルペダルの踏み込み量に基づいて基本燃料噴射量を決定する。そして、基本燃料噴射量を吸気温度センサ 1 7等の検出値に基づき補正し、最終的な燃料噴射量を決定する。 ' 次いで、上述した各種の装置を備えた、この実施態様のディーゼルエンジンの作動について、図 3、図 4も参照しながら説明を加える。

車両に搭載されるディーゼルエンジンは、運転状態によってエンジン回転速度やエンジン負荷が刻々と変ィヒし、そこから排出される排気ガス温度も運転状態に応じて変化する。図 3にはエンジン回転速度とエンジン負荷（燃料噴射量）をパラメータとする排気ガスの温度領域が示されているが、エンジンが低負荷であって、殊に回転速度が低い運転状態、つまり低排気温度領域 Xにおいては、排気温度が活性温度領域（約 2 5 0 °C〜 4 0 0 °C) に達せず、酸化触媒で N O が十分に N 0 ₂に酸化しない。また、排気出口の排気温度が触媒の活性温度領域に入っていたとしても、排気マ二ホールドから酸化触媒に至る間に外気などに放熱してしまうため結果的に活性温度領域以下に下がることがあった。

こうした問題を解決するため、このディーゼルエンジンでは、前記の特開 2 0 0 5 - 1 6 3 6 3 0号公報記載のものと同様に、エンジンの排気温度が約 2 50°Cに達しない低排気温度領域 Xにおいて、切替弁 102を閉じて排気ガスをバイパス通路 101及び第 2の連続再生式 D P F 13に流入させる。第 2の連続再生式 D P F 13は、排気マ二ホールド 4の近傍で第 1の連続再生式 D P F 12よりも上流に配置されているので、そこを通過する排気ガスは冷却されず、また、触媒等は小容量であって熱容量も小さいので容易に温度が上昇する。このため、酸化触媒を活性温度範囲に保つことが可能となり、第 2の連続再生式 DPF 1 3による PMの捕集及び DP Fの再生を効率よく行うことができる。

し力し、低排気温度領域 Xでは、エンジンのシリンダ内に噴射される燃料量が少なく燃焼温度が比較的低いので P Mの生成量が多レ、傾向にある。第 2の連続再生式 DP F 13は容量が小さく、多量の PMが発生すると目詰まりを起こし易く蓄積された P Mの燃焼による損傷も発生し易レ、。本発明のディーゼルエンジンでは、低排気温度領域 Xにおいて、空気と予め混合した状態で圧縮した後圧縮着火させる HCC I燃焼を行わせる。つまり、シリンダ内に噴射する燃料の噴射時期を早めるとともに、噴射された燃料が過早着火を起こすのを防止するため、

EGRバルブ 1 1を開いて冷却された排気ガス.をシリンダ内に還流する。図 4 に示ざれるとおり、 E G Rによる大量の排気ガスの存在の下で燃料の噴射時期を早め、殊に噴射時期を上死点前 30° 〜20° としたときは、燃料は圧縮着火前に空気と十分に混合し、着火後急速に燃焼が完了するから、 PM等未燃焼成分の生成が大幅に低下する。その結果、低排気温度領域で第 2の連続再生式 DPF 13に捕集される PMが非常に減少して、その DP Fが小容量であっても PMを十分に捕集することができる。

さらに、本発明のディーゼルエンジンでは、排気カム 42に形成された排気導入カムプロフィール 422により、吸気行程中に排気バルブ 40を僅かに開いて排気出口の排気ガスをシリンダ内に逆流させる内部 EGRが行われる。この排気ガスは、排気ガス出口の直後の燃焼中間生成物等を含む高温の排気ガスであって、このような排気ガスが燃焼室の上部のシリンダへッド付近に溜まるため、低排気温度領域 Xにおける本発明の H C C I燃焼では、予混合された混合気の着火後の燃焼が促進され、 P M等の生成がより一層少なくなる。また、低排気温度領域 Xのクール E G R及び内部 E G Rの実施に伴い、 N O Xの生成量も抑制されることとなり、排気通路 7に設置した尿素添加 S C R触媒 1 4の作動は不要となる。

この実施態様のディーゼルエンジンは、吸気を絞るための吸気シャツタ 2 2 と排気を絞るための排気シャッタ 2 3を備えている。排気ガスの温度が低排気温度領域 Xにある場合は、吸気シャッタ 2 2を絞る制御を行うことにより吸入）空気量を制限する。排気ガスの温度はシリンダ内の燃焼時に空気過剰率（え）が小さくなるほど高くなるので、シリンダ内の吸気量を減少することにより、低排気温度領域 Xにおける排気ガス温度を高めることができる。吸気量を減少すると、シリンダ内の吸気の初期圧力が低下するが、排気シャツタ 2 3を絞り圧力の低下を防止して、有効圧縮比の低下に基づく燃焼温度の低下を防いでいる。したがって、本来であれば低回転、低負荷状態で排気温度が酸化触媒の活性領域に達しない運転領域であっても、上記のような制御を実施することで、排気温度を迅速に活性温度領域にまで高めることが可能となる。次に、排気温度が低排気温度領域 Xを超えて上昇する運転領域における作動について述べる。この実施態様のディーゼルエンジンでは、排気温度が低排気温度領域以上の領域を、基本的には、中間排気温度領域 Yと高排気温度領域 Z との 2つに分けて制御を行う。

ディーゼルエンジンの燃料噴射量の増加に伴い、排気温度が約 2 5 0 °C以上となり低排気温度領域 Xを超えると、第 1の連続再生式 D P F 1 2の酸化触媒 1 2 1の温度は十分に活性温度域に達する。また、排気ガスの流量も増加するから、大容量の第 1の連続再生式 D P F 1 2において実質的に P Mを捕集するよう切替弁 1 0 2を高開度とし、第 2の連続再生式 D P F 1 3に流入する排気ガス量を減少させる。

排気温度が約 2 5 0 °C〜4 0 0 °Cの中間排気温度領域 Yでは、シリンダ内の燃焼温度も高まり、 N O Xの発生量も増加する。そのため、この領域では、 E GRバルブ 1 1の開度を大きくするとともに、吸気シャツタ 22及び排気シャッタ 23の開度を 50%程度の半開状態とする。これによつて、 EGR通路 9 の出入口間における気ガスの HflEが高まり、冷却器 200で冷却され吸気通路 5に再循環する排気ガスの量は増えて NO Xの発生量が低下する。

そして、本発明においては、中間排気温度領域 Yでは排気通路 7に設けた尿素添加 SCR触媒 14による NOxを還元 ·分解を実行し、排出される NOx の一層の低減を図る。すなわち、制御装置 10から出力される指令に基づき、尿素インジェクタ 141から加圧空気によって還元剤となる尿素水が噴霧され、尿素添カ卩 SCR触媒 14において NOxが還元 '分解される。

中間排気温度領域 Yでは、上死点付近で燃料を噴射する通常の噴射を行い、早期に燃料を噴射する H C C I燃焼を停止して拡散燃焼方式に切り換える。ただし、この実施態様のディーゼルエンジンでは、上死点付近で行う主噴射の前に、少量の燃料を噴射するパイ口ット噴射を実行する。パイ口ット噴射は主噴射の 10〜20° 手前の時点で噴射するのが好ましい。これによつて、良好な熱効率を確保しながら騒音の少ない、かつ、 PMや NOxの生成の少ない燃焼を実現することができる。：

'ディーゼルエンジンの燃料噴射量がさらに増加して全負荷近傍となる運転領域では、排気ガス温度もさらに上昇して約 400 °C以上となり、高排気温度領域 Zに移行する。この領域でも切替弁 102を開放し、 PMは第 1'の連続再生式 DPF 12において捕集されるが、排気ガスの温度が約 400°Cを超えると、酸化触媒 121の酸化作用と相俟って、捕集された PMは排気ガス中の酸素によって酸ィ匕し燃焼するようになる。このため、酸化剤としての NOxが存在しない条件下でも、第 1の連続再生式 DP F 1 2の DPF 121の再生が達成される。

高排気温度領域においても、中間排気温度領域 Yと同様に、尿素添加 SCR 触媒 14を機能させ NO Xを還元 ·分解を実行し、また、シリンダ内に噴射する燃料は主噴射及びパイロット噴射に分けて行う。し力、し、この領域では、吸気シャッタ 22及び排気シャッタ 23を全開とし、ディーゼルエンジンの出力を向上させるとともに燃料消費率の悪化を回避する。本発明のディーゼルエンジンの作動及び制御態様をまとめた表を図 5に示す。この図における燃料の噴射パターン、吸気シャツタ等の開度などは代表的なものを例示したまでであって、ェンジンの特性や運転状況に対応して逐次変更可能に構成されているのは当然のことである。こうした装置は制御装置 1 0 によって制御されるが、制御装置 1 0には、エンジン負荷（燃料噴射量）とェンジン回転速度に基づいて現在排気温度領域を決定する、図 3に対応する排気温度領域判定マップが格納されている。このマップにおける温度領域 X、 Y、、 Ζの境界線は、連続再生式 D P Fの酸化触媒の活性温度領域等を参照して実験的に定められるものである。

制御装置 1 0は、エンジン回転速度検出センサ 1 5及びアクセルセンサ 1 6 からのエンジン回転速度信号とアクセル開度信号を読み込み、制御装置 1 0内に格納された燃料噴射マップに応じて燃料噴射 fiを決定し、さらに、排気温度領域判定マップによつて排気温度領域を決定する。そして、その排気温度領域に応じて図 5の制御を実行する。なお、このような排気温度領域判定マップを使用する代わりに、エンジンの排気管 7に設けられる排気温度センサ 2 1 0を用いて、直接的に排気温度領域を検出してもよい。産業上の利用可能性

以上詳述したとおり、本発明は、排気ガス温度の低い運転領域においてバイパス通路に設置じた第 2の連続再生式 D P Fにより P Mを捕集し再生するデイーゼルエンジンにおいて、 .エンジンの排気系に尿素添カ卩 S C R触媒を設置して N O Xを確実に低減すると同時に、排気ガス温度の低い運転領域では、予混合圧縮自己着火燃焼方式の技術を利用して PMを低減させるものである。したがって、本願発明は、車両に搭載されたディーゼルエンジンに好適に利用可能であり、さらには、一般産業用等のディーゼルエンジンにも適用できることは明らかである。上記の実施態様では、連続再生式 D P Fとして酸化触媒と D P Fとが別体のものを用いているが、本発明のディーゼルエンジンでは、 D P F に酸化触媒となる材料を直接担持させて一体的に構成された連続再生式 D P Fや、 N O x吸蔵還元型触媒を D P Fに担持させた連続再生式 D P Fを採用できることは明らかである。また、燃料噴射装置としてコモンレール式以外のものを採用すること、尿素添加 S C R触媒を第 1の連続再生式 D P Fの下流に配置すること等、種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

Claims

請求の範囲

1.. エンジンの排気 ίί路（7) に配置された窠 1の連続再生式 DP F (12) と、前記第 1の連続再生式 D P F (12) よりも上流側の排気通路をバイパスするバイパス通路（101) に配設され前記第 1の連続再生式 DP F (1 2) よりも容量の小さい第 2の連続再生式 DP F (1 3) と、前記バィパス通路（101) の出入口間の排気通路に配設され排気ガスの流路を切り換える切替弁（102) とを有し、かつ、

排気ガス再循環量を制御する EG R弁（1 1) 及び排気ガスを冷却する冷却器（200) を介してエンジンの吸気通路（5) に冷却した排気ガスを再循環する EG R装置と、前記エンジンの排気出口をエンジン吸気行程において短時間エンジンのシリンダに連通させる排気ガス導入機構（41、 422) とを有しており、

エンジンの排気温度低い低排気温度領域（X) では、前記切替弁（_{1 0} 2) の開度を小として前記第 2の連続再生式 DP F (1 3) に排気ガスを流入させるディーゼルエンジンにおいて、

前記低排気温度領域（X) では、前記ディーゼルエンジン.に喰射する燃料の噴射時期を、それ以外の温度領域の噴射時期よりも早めるとともに、前記 EG R弁（1 1) を開いて、前記 EG R装置及び前記排気ガス導入機構

(41、 422) からの排気ガスの再循環を実施し、さらに、

前記排気通路'（7) には尿素供給装置を備えた NO X還元触媒装置（14) を設置し、前記低排気温度領域（X) 以外の領域では、 NO X還元触媒装置（14) に尿素を供給することを特徴とするディーゼルエンジンの排気净化装置。

2. 前記ディーゼルエンジンはコモンレール式燃料噴射装置を備え、前記低排気温度領域 (X) では、前記ディーゼルエンジンに噴射する燃料の噴射時期が上死点前 30° から 20° の範囲に設定されている請求項 1記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。

3. 前記ディーゼルエンジンはコモンレール式燃料噴射装置を備え、前記低排気温度領域 (X) 以外の領域では、前記ディーゼルエンジンに上死点付近で主噴射を行い、その主噴射の 10° から 20° 以前の時点でパイロット . 噴射を行う請求項 1に記載のディ一ゼルエンジンの排気浄化装置。

4. 前記 NO X還元触媒装置（14) は、前記第 1の連続再生式 D P F (1 2) よりも上流側、かつ、前記第 2の連続再生式 D PF (13) よりも下流側の前記排気通路（7) に設置されている請求項 1に記載のディーゼルェンジンの排気浄化装置。

5. 前記ディーゼルエンジンは、吸気通路'（5) に配設された吸気シャツタ（2

2) と排気通路'（7) に配設された排気シャツタ（23) とを有し、前記低排気温度領域（X) では、前記吸気シャツタ（22) 及び前記排気シャッタ（23)の開度を小として、前記吸気通路（ 5 )及び前記排気通路（ 7 ) を絞るように制御される、請求項 1に記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。

6. 前記低排気温度領域（X) 以外の領域では、前記切替弁（102) の開度が大となるとともに、エンジンの排気温度が前記低排気温度領域（X)'よりも高い中間排気温度領域（Y) においては、前記吸気シャツタ（22)

' 及び前記排気シャツタ（23) の開度が前記低排気温度領域（X) のときよりも大となり、さらに、エンジンの排気温度が前記中間排気温度領域 (Y) を超えた高排気温度領域（Z) においては、前記吸気シャツタ（2 2) 及び前記排気シャツタ（23) が全開となる請求項 5に記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。