JP2010196569A - 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】内燃機関の排気通路の排気ガス浄化装置を備え、必要に応じて、排気ガス浄化装置に燃料を供給する排気ガス浄化システムにおいて、エンジン始動後、脱硫処理、ＰＭ再生処理の際に、排気通路に二次空気を効率よく供給して排気ガス浄化装置の触媒の昇温を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１１の排気ガス浄化装置１８に過給器のコンプレッサで昇圧されない空気Ａ１と昇圧された空気Ａ２とをリード弁３２を介して選択的に排気通路に供給するように構成し、エンジン始動時には、昇圧されない空気Ａ１を排気圧の脈動に応じて間欠的に排気ガス浄化装置１８に供給して触媒での燃料の酸化反応を促進し、また、脱硫処理又はＰＭ再生処理の際には、昇圧された空気Ａ２を十分な流量で排気ガス浄化装置１８に供給し、多量の燃料を酸化して昇温時間を短縮する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒やディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）等の排気ガス浄化装置に対して、エンジン始動直後の暖機時、脱硫処理時、又は、ＰＭ再生処理時等に排気通路内に燃料の供給と二次空気の供給を行う排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法に関する。

軽油やガソリンを燃料とする自動車等に搭載された内燃機関の排気ガスを浄化するために、内燃機関の排気通路に排気ガス浄化装置（後処理装置）を設けて排気ガスを浄化している。この排気ガス浄化装置としては、三元触媒等の酸化触媒（ＤＯＣ）、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒（ＬＮＴ）、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）や触媒付きＤＰＦ（ＣＳＦ）等が用いられている。

三元触媒等の酸化触媒は触媒作用により、未燃炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）や窒素酸化物（ＮＯｘ）を酸化する。ＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、アルカリ又はアルカリ土類金属を貴金属と共に担持し、排気ガスの空燃比がリーン状態で一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ₂）に酸化し、硝酸塩として触媒上に吸着してＮＯｘを浄化し、排気ガスの空燃比がリッチ状態で吸着したＮＯｘを放出すると共に放出されたＮＯｘを還元する。

また、触媒付きＤＰＦは、排気ガス温度や触媒温度がＰＭ燃焼開始温度以下の場合にＰＭを捕集して排気ガスを浄化し、捕集したＰＭがある程度蓄積した段階で触媒付きＤＰＦをＰＭ燃焼開始温度以上に昇温して燃焼除去し、これにより排気ガスを浄化している。

これらの排気ガス浄化装置の触媒は低温ではその触媒作用を発揮せず、活性化温度以上の活性化温度域で触媒作用を発揮する。そのため、エンジン始動時には、触媒温度が低いので活性化温度に到達するまでは、排気ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ等が触媒によって浄化されずに、排気ガス浄化装置の下流側に流出し、大気環境を悪化させてしまう。そのため、エンジン始動時には、触媒を短時間で昇温させるために、触媒の上流側に供給された燃料を触媒上で酸化させて、この時に発生する反応熱により触媒を加熱している。

これに関連して、触媒暖機時、及び、触媒が未活性状態になって触媒を暖機する必要が生じた触媒暖機要求時に、排気ガス中のリッチ成分が触媒上流側の排ガス通路内で後燃え可能な温度になるように内燃機関の燃焼を制御し、それと共に、触媒上流側の排ガス通路内に二次空気を導入して、排気管内で後燃えを自然に発生させて、その燃焼熱で触媒を早期に暖機する内燃機関の制御装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

しかしながら、エンジン始動時のみならず、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒における脱硫処理ではＮＯｘ吸蔵還元型触媒を７００℃程度、触媒付きＤＰＦにおけるＰＭ再生処理ではＤＰＦを５５０℃程度の比較的高温に昇温させる必要がある。

つまり、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒においては、内燃機関の燃料中に硫黄成分が含まれており、この硫黄成分が硫酸塩として触媒上に吸着されてしまうために、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。この硫黄被毒からＮＯｘ吸蔵材を再生するために、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が不足する状態を作ってＮＯｘ吸蔵材の脱硫処理を行っている。

また、ＰＭを捕集するＤＰＦ装置においても、酸化触媒やＰＭ酸化触媒を担持して、ＤＰＦに捕集されたＰＭの燃焼開始温度を低下させる触媒付きＤＰＦが用いられているが、この触媒付きＤＰＦでも目詰まりによる排圧上昇を回避するために捕集されたＰＭの量がある程度増加した段階で、排気ガスの昇温により触媒付きＤＰＦを５５０℃程度まで昇温して捕集されたＰＭを燃焼除去するＰＭ再生処理を行っている。

この脱硫処理やＰＭ再生処理において、触媒温度を短時間で上昇させるために、エンジン回転数もエンジン始動直後のアイドリング回転数ほど低くないため、排気脈動による負圧を利用しただけでは二次空気の供給量が不足するという問題がある。そのため、二次空気供給用のポンプを設けることも考えられるが、その場合には供給用のポンプ等が必要になるという問題がある。

つまり、比較的多量の燃料を排気ガス浄化装置に供給し、その量に見合う量の二次空気を導入しようとすると、比較的多量の燃料を排気ガス浄化装置に供給しても、その反応に見合う空気（若しくは酸素）が導入されなければ、燃料に燃え残りが発生して、結果的に発熱量が期待通りに増加しない。また、排気脈動による負圧で導入される空気量（若しくは酸素量）以上に、燃料を供給しても、不足する空気量の分だけは燃え残ってしまう。即ち、負圧で導入される空気量で制限を受けた燃料供給量だけでは、短時間に触媒を加熱する量に見合わない。

特開２００１−２６３０５０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の排気ガス浄化装置を備えると共に、必要に応じて、ポスト噴射又は排気管内直接燃焼噴射により前記排気ガス浄化装置に燃料を供給する排気ガス浄化システムにおいて、内燃機関の排気通路に二次空気を供給して排気ガス浄化装置の触媒の昇温を行い、エンジン始動後の二次空気の供給では、大気圧の空気を排気脈動を利用して間欠的に吸引して、高酸素濃度の排気ガスと高燃料濃度の排気ガスとを時間的に交互に触媒に供給することにより効率よく昇温することができ、更に、脱硫処理やＰＭ再生処理の際の二次空気の供給では、排気通路内に大量に供給される燃料量に対して、コンプレッサで昇圧された空気を導入して十分な空気量を供給することにより迅速に昇温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の排気ガス浄化装置を備えると共に、必要に応じて、ポスト噴射又は排気管内直接燃焼噴射により前記排気ガス浄化装置に燃料を供給する排気ガス浄化システムにおいて、過給器のコンプレッサの上流の吸気通路の空気、又は、大気に連通する通路の空気を排気ポートに供給する二次空気供給用の第１空気供給配管と、前記コンプレッサの下流側の前記吸気通路の空気を前記排気ポートに供給する二次空気供給用の第２空気供給配管とを設けると共に、前記第１空気供給配管に第１空気制御弁を、前記第２空気供給配管に第２空気制御弁をそれぞれ設け、更に、前記排気ポート側への空気の流通は容認するが、前記排気ポートからの排気ガスの流通は阻止する逆止弁を設けて構成し、前記排気ガス浄化装置への燃料供給と前記第１空気制御弁と前記第２空気制御弁の開閉を制御する制御装置は、エンジン始動時には、ポスト噴射により前記排気ガス浄化装置に燃料を供給すると共に、前記第１空気流量調整弁を開けて前記第２空気制御弁を閉じて、前記第１空気制御弁で空気量を制御しながら、空気を前記排気ポートに供給し、前記排気ガス浄化装置の触媒に蓄積された硫黄成分を除去する脱硫処理時、又は、前記排気ガス浄化装置に蓄積された微粒子状物質を燃焼除去するＰＭ再生処理時には、ポスト噴射又は排気管内直接噴射により前記排気ガス浄化装置に燃料を供給すると共に、前記第１空気制御弁を閉じて前記第２空気制御弁を開けて、空気を前記排気ポートに供給する制御を行うように構成する。

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、内燃機関の排気通路の排気ガス浄化装置を備えると共に、必要に応じて、ポスト噴射又は排気管内直接燃焼噴射により前記排気ガス浄化装置に燃料を供給し、更に、過給器のコンプレッサの上流の吸気通路の空気、又は、大気に連通する通路の空気を排気ポートに供給する二次空気供給用の第１空気供給配管と、前記コンプレッサの下流側の前記吸気通路の空気を前記排気ポートに供給する二次空気供給用の第２空気供給配管とを設けると共に、前記第１空気供給配管に第１空気制御弁を、前記第２空気供給配管に第２空気制御弁をそれぞれ設け、更に、前記排気ポート側への空気の流通は容認するが、前記排気ポートからの排気ガスの流通は阻止する逆止弁を設けて構成された排気ガス浄化システムの排気ガス浄化方法において、エンジン始動時には、ポスト噴射により前記排気ガス浄化装置に燃料を供給すると共に、前記第１空気流量調整弁を開けて前記第２空気制御弁を閉じて、前記第１空気制御弁で空気量を制御しながら、空気を前記排気ポートに供給し、前記排気ガス浄化装置の触媒に蓄積された硫黄成分を除去する脱硫処理時、又は、前記排気ガス浄化装置に蓄積された微粒子状物質を燃焼除去するＰＭ再生処理時には、ポスト噴射又は排気管内直接噴射により前記排気ガス浄化装置に燃料を供給すると共に、前記第１空気制御弁を閉じて前記第２空気制御弁を開けて、空気を前記排気ポートに供給することを特徴とする。

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、内燃機関の始動時のエンジン回転数が比較的低い時には、排気ポートにおける排気圧の脈動を利用して二次空気を間欠的に排気ガス浄化装置に供給するので、排気ガス浄化装置に流入する排気ガスの組成に関して、酸素濃度が高い時と燃料濃度が高い時とが時間的に交互に生じるので、この高酸素濃度ガスと高燃料濃度ガスとが分離した状態で排気ガス浄化装置に流入することにより、酸素を反応活性の高い酸素原子として触媒上に吸着させた後に燃料を供給することができ、触媒上での燃焼反応を著しく促進することができる。

また、通常の触媒温度に比べて高い温度を必要とする、排気ガス浄化装置の脱硫処理時やＰＭ再生処理時においては、過給器のコンプレッサで昇圧された空気を供給することで、排気ガス浄化装置に対して大量に供給した燃料を、十分に酸化できるだけの空気量を供給できる。そのため、酸欠による酸化反応停止を起こさずに、燃料の酸化で発生する大量の発熱で排気ガス及び排気ガス浄化装置を昇温できるので、昇温時間を短縮することができる。従って、この排気ガス浄化装置の触媒の昇温及び加熱過程では、排気ガス浄化装置に大量に燃料を供給して迅速に触媒温度を上昇することができ、燃費の悪化を抑制することができる。

また、排気ガス浄化装置の脱硫処理時やＰＭ再生処理に、内燃機関で発生させるトルクに必要なブースト圧に昇圧した空気を排気ポート内へ導入するので、高地など大気圧が低い状態での走行においても、排気脈動に影響されずに、十分な空気（酸素）量を確保できて、排気ガス浄化装置を脱硫可能な温度又はＰＭ再生可能な温度に昇温及びその温度維持を行うことができるようになる。

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した図である。 二次空気供給用の第１空気供給配管と第２空気供給配管の構成を示した図である。 大気圧の空気を吸引するときの逆止弁の開状態を示した図である。 逆止弁の閉状態を示した図である。 コンプレッサで昇圧された後の空気を供給するときの逆止弁の開状態を示した図である。 エンジン始動時の二次空気供給の制御フローの一例を示した図である。 脱硫処理時又はＰＭ再生処理時の二次空気供給の制御フローの一例を示した図である。

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〜図５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（過給器）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。また、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、燃料を排気通路１６内に直接噴射するための排気管内直接燃料供給装置（排気管インジェクター）１７と排気ガス浄化装置（後処理装置）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を接続し、ＥＧＲガスＧｅが通過するＥＧＲ通路１９には、ＥＧＲクーラ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、触媒付きフィルタ装置（ＣＳＦ）１８ｃで構成されている。

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３のＮＯｘ吸蔵能力を回復するためのＮＯｘ再生や、硫黄被毒からの回復のためほ脱硫処理の際や、触媒付きフィルタ１８ｃのＰＭ再生処理の際に、排気通路１６内に供給される燃料の一部を酸化して排気ガスＧ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。このＮＯｘ放出のリッチ空燃比制御では、排気通路１６内に燃料を直接供給する。

触媒付きフィルタ装置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、排気通路１６内に燃料を噴射して、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再生処理を行う。

更に、排気ガスＧの温度Ｔｇ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、排気ガス浄化装置１８の触媒温度Ｔｃを測定するための第２温度センサ２３と、排気ガス中の空気過剰率（λ）又は酸素濃度を測定するためのλ（空気過剰率）センサ２４が配設される。

これらのセンサ２２、２３、２４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１０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）と呼ばれるエンジン制御装置に含まれる形で設けられる。このエンジン制御装置は、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、排気管内直接燃料供給装置１７、ＥＧＲ弁２２等を制御する。

本発明においては、図１に示すターボチャージャ１３のコンプレッサ１３ａの上流の吸気通路１１の昇圧前の空気Ａ１を、図２に示すように、ピストン２５を収容する気筒（シリンダ）２６毎の排気ポート２７に供給する二次空気供給用の第１空気供給配管３１を設ける。つまり、この第１空気供給配管３１の一端側を吸気通路１１のエアクリーナ１１ａのエアフィルタの下流側で、かつ、コンプレッサ１３ｂの上流側に接続し、他端側を各気筒２６のシリンダヘッド部に設けた導入管で形成し、排気ポート２７に接続する。これにより、コンプレッサ１３ａで昇圧される前で、かつ、エアフィルタを通過した後の空気Ａ１をターボチャージャ１３のタービン１３ｂよりも上流側の排気弁２８の近傍に供給することができるようになる。

この第１空気供給配管３１に逆止弁であるリード弁３２を設け、このリード弁３２の上流側に第１空気制御弁３３を設ける。更に、このリード弁３２が排気脈度に伴う負圧に対して敏感に反応して開閉動作するように、リード弁３２よりも下流側の第１空気供給配管３１ａの導入管の径を比較的小さく形成する。

図３に示すように、このリード弁３２は、排気ポート２７の排気圧力が空気Ａ１の圧力よりも低いときのみ開いて、第１空気供給配管３１から排気ポート２７側へ空気Ａ１が流入するのを許容する。また、図４に示すように、このリード弁３２は、排気ポート２７の排気圧力が空気Ａ１の圧力よりも高いときは閉じて、排気ポート２７側から第１空気供給配管３１ａへ排気ガスが流入することを阻止する。

このリード弁３２を第１空気供給配管３１ａに設けることにより、空気Ａ１を排気圧力の脈動を効率よく利用して排気通路１１に供給することができるようになる。また、第１空気制御弁３３を第１空気供給配管３１に設けることにより、排気通路１１側へ吸引される空気Ａ１の流量を制御することができるようになる。

なお、この第１空気供給配管３２の構成の代わりに、大気開放の通路を設けて、大気中の空気を吸入するように構成してもよい。この場合には、吸入空気を浄化するためのエアフィルタを設けて、異物混入を防止すると共に、リード弁３２のバルブ閉弁時の着座音を低減させる。

本発明では、更に、コンプレッサ１３ａの下流側の吸気通路１１の昇圧後の空気Ａ２を排気ポート２７に供給するために二次空気供給用の第２空気供給配管３４を設ける。この第２空気供給配管３４は、図２〜図５では、第１空気供給配管３１のリード弁３２と第１空気制御弁３３との間に接続されるが、スペースさえあれば、第１空気供給配管３１のリード弁３２と排気ポート２７との間に接続してもよい。この第２空気供給配管３２には第２空気制御弁３５を設ける。この第２空気制御弁３５は、排気ポート２７に供給される空気Ａ２の通過をオンオフする。また、第２空気供給配管３４の上流側の接続部をインタークーラ１４よりも下流側の吸気通路１１とすることにより、第２空気供給配管３４を流れる空気Ａ２は、インタークーラ１４により冷却された空気とする。

この昇圧後の空気Ａ２を排気ポート２７に供給するときは、エンジン回転数Ｎｅが比較的大きいときであり、排気ポート２７の排気圧力が空気Ａ２の圧力よりも低くなるので、図５に示すように、このリード弁３２は常時開いて、第１空気供給配管３１から排気ポート２７側へ空気Ａ２が流入するのを許容する。

上記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。この排気ガス浄化方法では、第１空気制御弁３３と第２空気制御弁３５を制御するが、リード弁３２は空気Ａ１，Ａ２の圧力と排気ポート２７の圧力との間の大小関係により自動的に開閉弁する。

エンジン始動時においては、排気ガス浄化装置１８のＮＯｘ吸蔵還元型触媒１８ｂを活性化させる必要がある。そのため、排気ガス浄化装置１８に燃料を供給して、燃料を、排気ガス中や排気ガス浄化装置１８の酸化触媒１８ａで酸化して排気ガスＧを昇温し、これによりＮＯｘ吸蔵還元型触媒１８ｂを昇温して活性化する。

このエンジン始動時においては、排気通路１６や排気ガス浄化装置１８が昇温されていないので、排気通路１６に燃料を供給するときには、気筒（シリンダ）内燃料噴射制御によるポスト噴射で燃料を供給する。この燃料の供給は燃焼室内への噴射量とタイミングを制御するエンジン制御装置で行う。

それと共に、第１空気制御弁３３を開弁し、第２空気流量制御量弁３５を閉弁して、第１空気制御弁３３で空気Ａ１の流量を制御しながら、コンプレッサ１３ａの上流の吸気通路１１から大気圧の空気Ａ１を排気ポート２７に供給する。これにより、排気圧力の脈動を利用して、負圧が発生した時に第１空気供給急配管３１に設けたリード弁３２を通過させて、大気圧の空気Ａ１を吸入し、排気ガス浄化装置１８に二次空気として供給する。
この空気Ａ１の流量は、第１空気制御弁３３によって、触媒温度Ｔｃやエンジン回転数Ｎｅ及び負荷Ｑに応じて制御する。また、車両が走行した後に、再びエンジン１０を始動させたような状況では、エンジン１０を停止しても、触媒温度Ｔｃが活性温度域にある場合があり、このような場合は、触媒に過剰に空気（酸素）Ａ１を供給する必要がないので、このような場合には空気Ａ１の供給を抑制するように第１空気制御弁３３の弁開度を減らす制御を行う。

このエンジン始動時の二次空気供給制御は、例えば、図６に示すような制御フローに従って行われる。つまり、エンジンがスタートして、図６のエンジン始動時の二次空気供給用の制御フローがスタートすると、ステップＳ１１でエンジン回転数Ｎｅが予め設定した回転数（アイドリング時のエンジン回転数）Ｎｉより大きいか否かを判定し、大きくない場合（ＮＯ）は、所定の時間（エンジン回転数Ｎｅの判定のインターバルに関係する時間）Δｔ１を経過した後にステップＳ１１に戻って、エンジン回転数Ｎｅが大きくなるまで待つ。

ステップＳ１１で、エンジン回転数Ｎｅが予め設定した回転数Ｎｉより大きくなった場合には、ステップＳ１２に行き、触媒温度Ｔｃが予め設定した第１温度閾値Ｔ１より小さいか否かを判定する。この第１温度閾値Ｔ１は触媒の活性化温度（例えば、２００℃程度）に設定される。このステップＳ１２の判定で触媒温度Ｔｃが第１温度閾値Ｔ１より小さい場合（ＹＥＳ）は、ステップ１３の第１制御に行く。

このステップＳ１３の第１制御では、膨張行程と排気行程中に燃焼室内に燃料を噴射するポスト噴射により、燃料を排気通路１６内に供給すると共に、第１空気制御弁３３を開弁し、第２空気制御弁３３を閉弁する。それと共に、第１空気制御弁３３の弁開度を制御し、空気流量を調整する。この第１空気制御弁３３の弁開度は、検出された触媒温度Ｔｃを基に、弁開度マップを参照して算出される。この弁開度マップは、触媒温度Ｔｃが低いほど、第１空気制御弁３３を大きく開けるように、触媒温度Ｔｃに対応して予め設定される。この第１制御を所定の時間（触媒温度の判定のインターバルに関係する時間）Δｔ２の間行ってから、ステップＳ１２に戻る。

ステップＳ１２の判定で触媒温度Ｔｃが第１温度閾値Ｔ１より小さくない場合（ＮＯ）は、触媒が活性化し、エンジン始動時における排気ガス浄化装置１８の触媒の暖機が完了したとして、リターンし、通常の運転に戻る。

このエンジン始動時においては、第１空気供給配管３１を、ターボチャージャ１３のタービン１３ｂよりも上流の排気弁２８の近傍の排気ポート２７に接続して設けているので、排気弁２８を閉じた時の負圧を利用して空気Ａ１を排気通路１１に供給することができる。つまり、エンジン１０が稼動しているときには、各気筒２６で一連の四サイクル行程が繰り返されるが、膨張行程の後半で排気弁２８を開けて、高温で高圧の排気ガスを排出する。その後、排気弁２８を閉じると排気ガスの持つ慣性により排気ガス中に負圧部分が発生する。この負圧により第１空気供給配管３１に配置したリード弁３２は図３に示すように開き、大気圧の空気Ａ１を排気ポート２７に流入させる。その他の場合では排気圧の方が高いので吸引されず、また、リード弁３２は図４に示すように閉じるので排気ガスの逆流を防止できる。

このコンプレッサ１３ａの上流の昇圧される前の圧力の低い空気（又は大気中の空気）Ａ１を、リード弁３２を経由させることで排気脈動に応じて間欠的に供給することにより、排気ガスを空気Ａ１が吸引された高酸素濃度の部分と、空気Ａ１が吸引されなかった高燃料濃度の部分に時間的に分離した状態で、排気ガス浄化装置１８の触媒に流入させ、排気ガス中の酸素を反応活性の高い酸素原子として触媒上に吸着させた後で、燃料が供給し燃焼反応を促進する。

つまり、エンジン回転数Ｎｅが低い場合に排気圧の脈動効果が大きいことを利用し、エンジン始動直後で触媒が活性化温度（浄化活性温度域）Ｔ１よりも低い場合に、二次空気を間欠的に供給し、酸化触媒における燃料の酸化を促進させる。

また、排気ガス浄化装置１８に蓄積された硫黄成分を除去する脱硫処理（硫黄パージ）時、又は、排気ガス浄化装置１８に蓄積された微粒子状物質（ＰＭ）を燃焼除去するＰＭ再生処理時において、昇温及び加熱する場合には、排気ガス温度Ｔｇによって気筒内燃料噴射制御におけるポスト噴射と、排気管内直接燃料供給装置１７とを使い分けながら、排気ガス浄化装置１８に燃料を供給する。

それと共に、第１空気制御弁３２を閉じて、第２空気制御弁３５を開弁して、コンプレッサ１３ａの下流の吸気通路１１から昇圧された空気Ａ２を、第２空気制御弁３５により流量を制御しながら排気ポート２７に供給する。

この脱硫処理やＰＭ再生処理等の通常の触媒温度に比べて高い触媒温度を必要とする場合の昇温及び加熱制御では、その昇温時間を短くするよう、排気ガス浄化装置１８に大量の燃料を供給するが、酸素不足とならないように大量の燃料に対応した十分な流量で二次空気を供給する必要がある。

この状態では、エンジン回転数Ｎｅもエンジン始動直後のアイドル時ほど低くないため、排気脈動による負圧だけで二次空気を吸引して供給するだけでは空気の流量が不足する。そのため、第２空気供給配管３４経由で第２空気制御弁３５を介してターボチャージャ１３のコンプレッサ１３ａの下流側から昇圧後の空気Ａ２を排気ポート２７に供給する。この場合、リード弁３６は空気Ａ２側の圧力が高くなるので常時開状態となる。また、触媒温度Ｔｃが脱硫可能温度やＰＭ燃焼開始温度に到達したら第２空気制御弁３５も閉じて二次空気Ａ２の供給を停止する。

この制御は、例えば、図７に示すような制御フローに従って行われる。つまり、エンジンがスタートして、図７の脱硫処理やＰＭ再生処理のための昇温・加熱時の二次空気供給用の制御フローがスタートすると、ステップＳ２１で処理モードが、脱硫処理モードであるか、あるいは、ＰＭ再生処理モードであるか判定を念のため行う。このステップＳ２１の判定で、処理モードが脱硫処理モードでもＰＭ再生処理モードでもないとの判定の場合は、リターンし、この昇温及び加熱時の二次空気供給用の制御を行わずに終了する。

ステップＳ２１の判定で処理モードが脱硫処理モードとＰＭ再生処理モードのどちらか一方又は両方との判定の場合は、ステップＳ２２に行き、第２制御を行う。この第２制御では、第１空気制御弁３３を閉弁し、第２空気制御弁３５を開弁する。この第２空気制御弁３５では空気流量の制御は行わずに、全開とする。

この第２制御の後で、ステップＳ２３に行き、排気ガス温度Ｔｇが予め設定した第２温度閾値Ｔ２より大きいか否かを判定する。この第２温度閾値Ｔ２は、排気管内燃料噴射で噴射された燃料が十分にガス化され、酸化触媒１８ａで酸化可能となる温度とされる。このステップＳ２３の判定で排気ガス温度Ｔｇが第２温度閾値Ｔ２より大きくない場合（ＮＯ）は、ステップＳ２４に行き、ポスト噴射を行って燃料を排気ガス装置１８に所定の時間（排気ガス温度の判定のインターバルに関係する時間）Δｔ３の間供給し、その後、ステップＳ２３に戻る。

ステップＳ２３の判定で排気ガス温度Ｔｇが第２温度閾値Ｔ２より大きい場合（ＹＥＳ）は、ステップ２５に行く。このステップＳ２５では、触媒温度Ｔｃが予め設定した第３温度閾値Ｔ３より小さいか否かを判定する。この第３温度閾値Ｔ３は、脱硫処理モードの場合は、触媒の硫黄成分が分離し始める脱硫開始温度（例えば、７００℃程度）とされ、ＰＭ再生処理モードの場合は、触媒付きフィルタ１８ｃに捕集されたＰＭが燃焼開始する温度（例えば、５５０℃程度）とされる。

このステップＳ２５の判定で、触媒温度Ｔｃが第３温度閾値Ｔ３より小さい場合（ＹＥＳ）は、触媒を昇温・加熱するために排気管内直接燃料噴射により、燃料を排気ガス浄化装置１８に所定の時間（触媒温度の判定のインターバルに関係する時間）Δｔ４の間供給し、その後、ステップＳ２５に戻る。

この排気管内直接噴射では、制御開始時や制御中の運転状態は交通状況などによって変化し、特定できないので、第２空気制御弁３５を全開とした状態で昇温処理過程の検出された触媒温度Ｔｃに対する燃料噴射量のフィードバック制御を行う。この燃料噴射量の調整は、排気管内直接燃料供給装置１７の噴射間隔の制御によって行うが、エンジン回転数Ｎｅと燃料流量（負荷Ｑに関係）に応じた噴射間隔の下限値を予め設定したマップデータを設け、このマップデータから算出された下限値以下にならないように、触媒温度Ｔｃによる噴射間隔のフィードバック制御を行う。

このステップＳ２５の判定で、触媒温度Ｔｃが第３温度閾値Ｔ３より小さくなくなった場合（ＮＯ）は、触媒は十分に昇温・加熱されたと判断してリターンに行く。リターンした後は、別の制御フロー（図示しない）に従って、脱硫処理又は、ＰＭ再生処理を行う。

この脱硫処理又はＰＭ再生処理の間においては、触媒温度ＴｃがＰＭ燃焼温度や脱硫可能温度以上のときは、第２空気制御弁３５も閉じて二次空気Ａ２の供給を停止するが、触媒温度Ｔｃが低下する可能性のある時には、必要に応じて、第２制御と排気管内直接燃料噴射により排気ガス浄化装置１８に燃料と二次空気Ａ２を供給することにより、排気ガス浄化装置１８の温度を脱硫処理又はＰＭ再生処理に適した温度に維持する。

この昇温及び加熱制御時においては、このコンプレッサ１３ａの下流の昇圧後の圧力の高い空気Ａ２をリード弁３２を経由し、また、第２空気制御弁３５を経由して、排気ガス中に大量に供給した燃料量に見合う二次空気量を供給できる。その結果、酸欠による酸化反応停止を回避でき、大量の発熱により昇温及び加熱に要する時間を短縮することができる。

また、エンジン１０で発生させるトルクに必要なブースト圧で、排気ポート２７内に空気Ａ２を導入させることにより、高地走行などの大気圧が低い状態で走行しても脱硫処理やＰＭ再生処理で必要な空気量（酸素量）を確保して、触媒の昇温及び加熱制御を行うことができる。

上記の構成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、エンジン回転数が比較的低いエンジン始動時の触媒昇温に際して、第１空気制御弁３３を開弁し、第１空気制御弁３５を閉弁することにより、大気圧の空気Ａ１を、第１空気供給配管３１を経由し、リード弁３２で逆流を防止すると共に第１空気制御弁３３で流量を調整しながら、排気圧力の脈動を利用しながら、間欠的に排気ポート２７に供給できる。

これにより、エンジン回転数Ｎｅが低い時の排気脈動を効率よく利用して空気Ａ１を間欠的に二次空気として排気ガス浄化装置１８に供給し、酸素濃度が高い時と燃料濃度が高い時の排気ガスを排気ガス浄化装置に流入させることができる。そのため、酸素を反応活性の高い酸素原子として触媒上に吸着させた後に燃料を供給することができるので、触媒上での燃焼反応を著しく促進することができ、効率よく触媒を昇温することができる。

また、エンジン回転数Ｎｅが比較的高い脱硫処理時の触媒昇温又はＰＭ再生処理時の触媒付きＤＰＦ１８ｃの昇温に際して、第１空気制御弁３３を閉弁し、第２空気流量弁３５を開弁することにより、ターボチャージャ１３のコンプレッサ１３ａで昇圧された後の空気Ａ２を、第２空気供給管３４と第１空気供給管３１を経由して、排気ポート２７に供給できる。このときは、昇圧された空気Ａ２の方が排気ポート２７の排気圧力よりも高くなるので、リード弁３２は常時図５に示す開弁状態となる。

これにより、エンジン回転数Ｎｅが高い時の吸気圧力（ブースト圧）を効率よく利用して、空気Ａ２を二次空気として十分な量で連続的に排気ガス浄化装置１８に供給し、効率よく触媒または触媒付きＤＰＦ１８ｃを昇温することができるようになる。

本発明の排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法は、内燃機関の排気通路の排気ガス浄化装置を備えると共に、必要に応じて、ポスト噴射又は排気管内直接燃焼噴射により前記排気ガス浄化装置に燃料を供給する排気ガス浄化システムにおいて、エンジン始動後の二次空気の供給では、大気圧の空気を排気脈動を利用して間欠的に吸引して、高酸素濃度の排気ガスと高燃料濃度の排気ガスとを時間的に交互に触媒に供給して効率よく昇温することができ、更に、脱硫処理やＰＭ再生処理の際の二次空気の供給では、排気通路内に大量に供給される燃料量に対して、コンプレッサで昇圧された空気を導入して十分な空気量を供給して迅速に触媒を昇温できる。

従って、本発明の排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法は、自動車に搭載するの内燃機関等の排気通路における排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法として利用できる。

１ 排気ガス浄化システム
１０ エンジン（内燃機関）
１１ 吸気通路
１３ ターボチャージャ（過給器）
１３ａ コンプレッサ
１６ 排気通路
１７ 排気管内直接燃料供給装置
１８ 排気ガス浄化装置
１８ａ 酸化触媒装置（ＤＯＣ）
１８ｂ ＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置（ＬＮＴ）
１８ｃ 触媒付きフィルタ装置（ＣＳＦ）
２２ 第１温度センサ
２３ 第２温度センサ
２５ ピストン
２７ 排気ポート
３１ 第１空気供給配管
３２ リード弁（逆止弁）
３３ 第１空気制御弁
３４ 第２空気供給配管
３５ 第２空気制御弁
Ａ１ 昇圧前の空気（大気圧の空気）
Ａ２ 昇圧後の空気
Ｇ 排気ガス
Ｎｅ エンジン回転数
Ｎｉ 予め設定した回転数
Ｔｃ 触媒温度
Ｔｇ 排気ガス温度
Ｔ１ 予め設定した第１温度閾値
Ｔ２ 予め設定した第２温度閾値
Ｔ３ 予め設定した第３温度閾値

Claims (2)

1. 内燃機関の排気通路の排気ガス浄化装置を備えると共に、必要に応じて、ポスト噴射又は排気管内直接燃焼噴射により前記排気ガス浄化装置に燃料を供給する排気ガス浄化システムにおいて、
   過給器のコンプレッサの上流の吸気通路の空気、又は、大気に連通する通路の空気を排気ポートに供給する二次空気供給用の第１空気供給配管と、前記コンプレッサの下流側の前記吸気通路の空気を前記排気ポートに供給する二次空気供給用の第２空気供給配管とを設けると共に、前記第１空気供給配管に第１空気制御弁を、前記第２空気供給配管に第２空気制御弁をそれぞれ設け、更に、前記排気ポート側への空気の流通は容認するが、前記排気ポートからの排気ガスの流通は阻止する逆止弁を設けて構成し、
   更に、前記排気ガス浄化装置への燃料供給と前記第１空気制御弁と前記第２空気制御弁の開閉を制御する制御装置を、
   エンジン始動時には、ポスト噴射により前記排気ガス浄化装置に燃料を供給すると共に、前記第１空気流量調整弁を開けて前記第２空気制御弁を閉じて、前記第１空気制御弁で空気量を制御しながら、空気を前記排気ポートに供給し、
   前記排気ガス浄化装置の触媒に蓄積された硫黄成分を除去する脱硫処理時、又は、前記排気ガス浄化装置に蓄積された微粒子状物質を燃焼除去するＰＭ再生処理時には、ポスト噴射又は排気管内直接噴射により前記排気ガス浄化装置に燃料を供給すると共に、前記第１空気制御弁を閉じて前記第２空気制御弁を開けて、空気を前記排気ポートに供給する制御を行うように構成したことを特徴とする排気ガス浄化システム。
2. 内燃機関の排気通路の排気ガス浄化装置を備えると共に、必要に応じて、ポスト噴射又は排気管内直接燃焼噴射により前記排気ガス浄化装置に燃料を供給し、
   更に、過給器のコンプレッサの上流の吸気通路の空気、又は、大気に連通する通路の空気を排気ポートに供給する二次空気供給用の第１空気供給配管と、前記コンプレッサの下流側の前記吸気通路の空気を前記排気ポートに供給する二次空気供給用の第２空気供給配管とを設けると共に、前記第１空気供給配管に第１空気制御弁を、前記第２空気供給配管に第２空気制御弁をそれぞれ設け、更に、前記排気ポート側への空気の流通は容認するが、前記排気ポートからの排気ガスの流通は阻止する逆止弁を設けて構成された排気ガス浄化システムの排気ガス浄化方法において、
   エンジン始動時には、ポスト噴射により前記排気ガス浄化装置に燃料を供給すると共に、前記第１空気流量調整弁を開けて前記第２空気制御弁を閉じて、前記第１空気制御弁で空気量を制御しながら、空気を前記排気ポートに供給し、
   前記排気ガス浄化装置の触媒に蓄積された硫黄成分を除去する脱硫処理時、又は、前記排気ガス浄化装置に蓄積された微粒子状物質を燃焼除去するＰＭ再生処理時には、ポスト噴射又は排気管内直接噴射により前記排気ガス浄化装置に燃料を供給すると共に、前記第１空気制御弁を閉じて前記第２空気制御弁を開けて、空気を前記排気ポートに供給することを特徴とする排気ガス浄化方法。

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