JP4727472B2

JP4727472B2 - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP4727472B2
Application number: JP2006080740A
Authority: JP
Inventors: 峰啓村田; 好央武田; 暢宏近藤
Original assignee: Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Current assignee: Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Priority date: 2006-03-23
Filing date: 2006-03-23
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2026-03-23
Also published as: JP2007255305A

Description

本発明は、排気浄化装置に係り、特に、アイドル運転が長期間に亘り継続して排気浄化触媒が活性温度未満となったときの排気浄化技術に関する。

内燃機関（エンジン）の排気通路には一般に排気浄化触媒が介装されており、当該排気浄化触媒により排気中の有害物質（ＣＯ、ＨＣ、ＮＯx等）が酸化或いは還元されて除去される。
ところで、排気浄化触媒は触媒温度が活性温度（ライトオフ温度）以上の所定の温度範囲において良好に機能する特性を有し、当該活性温度未満では上記有害物質を十分に浄化することはできず、触媒温度を活性温度以上に維持することが必要とされる。

特に、最近ではＮＯxを浄化可能な吸蔵型ＮＯx触媒や選択還元型ＮＯx触媒等のＮＯx触媒が種々開発され実用化されているが、エンジンがディーゼルエンジンのようにＮＯxを排出し易いエンジンの場合にあっては、ＮＯxの大気中への拡散を確実に防止することが要求され、これらＮＯx触媒の温度を活性温度以上に維持することが望まれる。
しかしながら、エンジンが長期間に亘りアイドル運転状態（例えば、ローアイドル）にある場合には、排気温度が低いことから却って排気浄化触媒が冷やされ易く、故に排気浄化触媒の温度が活性温度未満に低下し易く、排気浄化触媒を活性温度以上の温度に維持し難いという問題がある。

そこで、ディーゼルエンジンの排気通路に設けた排気浄化触媒を迂回するようバイパス通路を設け、排気浄化触媒の温度が低い或いは高いようなときには、排気をバイパス通路に逃がして排気浄化触媒の温度を調節するとともに排気還流（ＥＧＲ）量を維持してＮＯxの低減量を確保するような技術が開発されている（特許文献１参照）。
特開平５−４４４４９号公報

しかしながら、上記特許文献に開示される技術では、排気浄化触媒の温度低下や過昇温を防止でき、排気をバイパス通路に逃がしている間はＥＧＲ量を維持してＮＯxの低減を図ることができるものの、この間、ディーゼルエンジンの排気中に多く含まれる傾向にある煤等のパティキュレートマター（ＰＭ）についてはバイパス通路を通ってそのまま大気中に放出されてしまうという問題がある。

そして、この問題は、ＥＧＲ量が多く燃焼が不安定になるほどＰＭが発生し易いために顕著である。
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、アイドル運転が長期間に亘り継続して排気浄化触媒の温度が活性温度未満に低下した場合であってもＰＭの排出を抑えながらＮＯxを低減可能な排気浄化装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に設けられ、排気中の有害物質を浄化する触媒と、前記排気通路に前記触媒の下流に位置して設けられ、排気中のパティキュレートマターを捕捉するフィルタと、前記触媒の温度を検出する触媒温度検出手段と、前記排気通路から分岐して前記触媒を迂回するよう設けられ、前記フィルタの上流で合流するバイパス通路と、前記バイパス通路との分岐部に設けられ、排気の流れを前記排気通路側と前記バイパス通路側とに切り換える切換弁と、前記排気通路から吸気通路に排気の一部を還流させるＥＧＲ通路と、前記ＥＧＲ通路に設けられ、前記排気の一部の還流量を調節するＥＧＲ弁と、内燃機関がアイドル運転状態にあるとき、前記触媒温度検出手段により検出される前記触媒の温度が所定の活性下限温度以上のときには前記切換弁を前記排気通路側に切り換え、前記触媒の温度が所定の活性下限温度未満のときには前記切換弁を前記バイパス通路側に切り換えるとともに前記ＥＧＲ弁の開度を最大にする制御手段とを備えたことを特徴とする。

請求項２の排気浄化装置では、請求項１において、前記触媒は吸蔵型ＮＯx触媒であることを特徴とする。
請求項３の排気浄化装置では、請求項１において、前記触媒は選択還元型ＮＯx触媒であることを特徴とする。

請求項１の排気浄化装置によれば、排気通路から分岐して触媒を迂回した後にフィルタの上流で合流するバイパス通路を設け、内燃機関がアイドル運転状態にあるとき、触媒の温度が所定の活性下限温度以上のときには切換弁を排気通路側に切り換え、触媒の温度が所定の活性下限温度未満のときには切換弁をバイパス通路側に切り換えるとともにＥＧＲ弁の開度を最大にするので、アイドル運転（例えば、ローアイドル）が長期間に亘り継続して排気浄化触媒の温度が活性温度未満に低下した場合において、ＥＧＲを大量に吸気側に導入してＮＯxの発生を抑制しつつ、バイパス通路に排気を流すことで低温の排ガスで冷却されることによる触媒の温度低下を防止でき、さらに、この間に発生する排気中のＰＭをフィルタで捕捉してＰＭの排出を確実に抑えることができる。

請求項２の排気浄化装置によれば、ＥＧＲを大量に吸気側に導入してＮＯxの発生を抑制しつつ、バイパス通路に排気を流すことで活性温度未満になった吸蔵型ＮＯx触媒へのＮＯxの吸蔵（吸着を含む）を抑制して吸蔵型ＮＯx触媒の破過（ＮＯxのブレイクスルー）を防止できるとともに低温の排ガスで冷却されることによる吸蔵型ＮＯx触媒の温度低下を防止でき、さらに、この間に発生する排気中のＰＭをフィルタで捕捉してＰＭの排出を確実に抑えることができる。

請求項３の排気浄化装置によれば、ＥＧＲを大量に吸気側に導入してＮＯxの発生を抑制しつつ、バイパス通路に排気を流すことで活性温度未満になった選択還元型ＮＯx触媒へのＮＯxの流入を抑止できるとともに低温の排ガスで冷却されることによる吸蔵型ＮＯx触媒の温度低下を防止でき、さらに、この間に発生する排気中のＰＭをフィルタで捕捉してＰＭの排出を確実に抑えることができる。

以下、図面を参照して、本発明に係る排気浄化装置の一実施形態を説明する。
図１は本発明に係る排気浄化装置を含む内燃機関全体のシステム構成図であり、図１において、符号１は、例えばコモンレール式ディーゼルエンジンを示し、符号１０は、エンジン制御装置の主要部をなす電子コントロールユニット（以下、ＥＣＵという）を示す。
詳細な図示を省略するが、コモンレール式ディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１は、ニードル弁ならびにこのニードル弁の先端側および基端側に設けられた燃料室および制御室を有した燃料インジェクタを気筒毎に備え、燃料室および制御室は燃料通路を介して蓄圧室に接続され、制御室は燃料戻し通路を介して燃料タンクに接続されている。そして、ＥＣＵ１０の制御下で、燃料インジェクタに設けられた電磁弁が開くと、蓄圧室内から供給された高圧燃料が燃料インジェクタを通じてエンジン１の燃焼室に噴射され、電磁弁が閉じると燃料噴射が終了するものとなっており、このように電磁弁の開閉弁時期を制御することで燃料噴射開始・終了時期（燃料噴射量）が調節される。

エンジン１は、吸気マニホールド１１に接続された吸気管（吸気通路）１２と、排気マニホールド１３に接続された排気管（排気通路）１４とを有している。吸気管１２の途中には、過給機２０のコンプレッサ２１とインタークーラ３１と吸気スロットル弁３２が配されている。吸気スロットル弁３２の開度はＥＣＵ１０により可変調整される。一方、排気管１４の途中には、過給機２０のタービン２２、排気ブレーキ１５、軽油添加インジェクタ５０、後処理装置４０および図示しないマフラが設けられている。

図１中、符号３６は、排気マニホールド１３から吸気管１２に延びるＥＧＲ通路を示し、このＥＧＲ通路３６を介して排ガスの一部がＥＧＲガスとしてエンジン１に供給される。ＥＧＲ通路３６の途中には、ＥＧＲガスを冷却してエンジン１へのガス充填密度を高めるＥＧＲクーラ３７とＥＧＲガスのエンジン１への供給および供給遮断のためのＥＧＲ弁３８とが設けられている。ＥＧＲ弁３８はＥＣＵ１０により開閉制御または開度調整される。

後処理装置４０は、煤等のパティキュレートマター（ＰＭ）を捕集して燃焼除去するディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）４１と、当該ＤＰＦ４１の前段に位置して酸化雰囲気（リーン空燃比）で排ガス中のＮＯxを吸蔵するとともに還元雰囲気（リッチ空燃比）で吸蔵させたＮＯxを放出し還元除去（ＮＯxパージ）するＮＯｘ吸蔵触媒（吸蔵型ＮＯx触媒）４２と、ＤＰＦ４１の後段に位置して余剰のＨＣ、ＣＯを酸化除去する後段触媒４３とを備えて構成されている。そして、後処理装置４０の前段には軽油添加インジェクタ５０が設けられている。

軽油添加インジェクタ５０は、ＮＯｘ吸蔵触媒４２のＮＯxパージ時にはＮＯｘ吸蔵触媒４２に対し還元雰囲気の生成及びＮＯxの還元剤として、或いはＤＰＦ４１に捕集されたＰＭを燃焼除去するＤＰＦ４１の強制再生時には前段のＮＯx吸蔵触媒４２を昇温させることでＤＰＦ４１を昇温させるため、排ガス中に軽油（ＨＣ）を噴射するものであり、ＥＣＵ１０により駆動制御される。

排気管１４からは分岐してバイパス管（バイパス通路）１８がＮＯｘ吸蔵触媒４２を迂回するように延びており、当該バイパス管１８の終端はＤＰＦ４１の上流で排気管１４に合流するよう排気管１４のうちＤＰＦ４１の上流部分に接続されている。
そして、排気管１４とバイパス管１８との分岐部には、排ガスの流れを排気管１４側、即ち後処理装置４０側とバイパス管１８側とに切り換える切換弁１６が設けられている。切換弁１６もＥＣＵ１０により切換制御される。

図１中、符号６０は触媒出口排気温度センサ（触媒温度検出手段）であり、当該触媒出口排気温度センサ６０は、ＮＯｘ吸蔵触媒４２とＤＰＦ４１との間に挿入された温度検出端を有し、ＮＯｘ吸蔵触媒４２の出口側における排気温度（触媒温度、特にＮＯｘ吸蔵触媒４２の温度）を検出可能である。
さらに、ＥＣＵ１０には負荷センサ６１、クランク角センサ６２などの各種センサ類が接続されている。負荷センサ６１は、図示しないアクセルペダルの踏込量すなわちアクセル開度をエンジン負荷として検出し、クランク角センサ６２は、クランク角を検出することでエンジン１のクランクシャフト（図示せず）の回転をエンジン回転速度Ｎeとして検出するものである。

これより、ＥＣＵ１０は、負荷センサ６１により検出されたエンジン負荷とクランク角センサ６２により検出されたエンジン回転速度Ｎeとに基づいてエンジン１の運転領域を判別し、エンジン運転領域に応じてエンジン１の各燃料インジェクタの電磁弁をオンオフして燃料噴射タイミングおよび燃料噴射量を制御可能である。
以下、このように構成された本発明に係る排気浄化装置の作用及び効果について説明する。

図２を参照すると、本発明に係る排気浄化装置においてＥＣＵ１０により実行されるローアイドル制御の制御ルーチンがフローチャートで示されており（制御手段）、以下同フローチャートに基づき説明する。
ステップＳ１０では、クランク角センサ６２からの情報に基づき、エンジン回転速度Ｎeが通常のアイドル回転速度Ｎiにあってエンジン１がローアイドル運転状態にあるか否かを判別する。ここに、ローアイドル運転状態とは補機等を駆動するハイアイドル運転状態ではないエンジン回転速度Ｎeの低いアイドル運転状態である。判別結果が真（Ｙｅｓ）でローアイドル運転状態と判定された場合には、ステップＳ１２に進む。

ステップＳ１２では、触媒出口排気温度センサ６０からの温度情報に基づき、触媒温度が活性下限温度Ｔa未満であるか否かを判別する。つまり、ローアイドル運転ではハイアイドル運転と異なり排気温度が低く、故に触媒温度が低下し易いことから、触媒温度が活性下限温度Ｔa未満になっているか否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）で触媒温度が活性下限温度Ｔa未満である場合には、ステップＳ１４に進む。

ステップＳ１４では、ＥＧＲ弁３８の開度を最大或いは略最大に制御して大量のＥＧＲガスがＥＧＲ通路３６を流れるようにする。
このように大量のＥＧＲガスを吸気側に還流させるようにすると、新気量が減少して筒内での燃焼が緩慢となって予混合燃焼量が増大し、まだ燃焼温度が下がることになり、ＮＯxの発生を大幅に抑制することが可能である。

ステップＳ１６では、通常は排気管１４側に切り換えられている切換弁１６をバイパス管１８側に切り換え、排ガスをバイパス管１８に流すようにする。
このように排ガスをバイパス管１８に流すようにすると、排ガスは活性下限温度Ｔa未満にあるＮＯｘ吸蔵触媒４２を一切流れなくなり、故にＮＯxがＮＯｘ吸蔵触媒４２に吸蔵（吸着を含む）されないようにしてＮＯｘ吸蔵触媒４２の破過（ＮＯxのブレイクスルー）を防止できる。また、上述の如くローアイドル運転状態では排気温度が低いために低温の排ガスによる冷却によって触媒温度がさらに低下し易いのであるが、このような低温の排ガスによるＮＯｘ吸蔵触媒４２の温度低下を防止することができる。

さらに、バイパス管１８はＤＰＦ４１の上流で排気管１４に合流するように構成されているので、ＥＧＲガスを大量に還流させると燃焼が不安定になってＰＭが発生し易いのであるが、排ガスの流れをバイパス管１８側に切り換えている期間において当該ＰＭを良好にＤＰＦ４１に捕捉させるようにでき、ＰＭの大気中への排出を確実に防止することができる。

ステップＳ１０の判別結果が偽（Ｎｏ）となり、加速走行等の実施によりエンジン回転速度Ｎeが上昇し、エンジン１がもはやローアイドル運転状態にないと判定された場合には、触媒温度は活性下限温度Ｔa以上にまで上昇することが期待され、ステップＳ１８に進み、ＥＧＲ弁３８の開度を通常の開度にするとともに、ステップＳ２０において、切換弁１６を排気管１４側に切り換えて排ガスの流れをＮＯｘ吸蔵触媒４２を通る通常の流れとする。

また、ステップＳ１０の判別結果が真（Ｙｅｓ）でエンジン１がローアイドル運転状態であっても触媒温度が活性下限温度Ｔa以上であるような場合には、ＮＯxはＮＯｘ吸蔵触媒４２によって良好に浄化されることになるため、この場合にもやはりステップＳ１８に進み、ＥＧＲ弁３８の開度を通常の開度にするとともに、ステップＳ２０において、切換弁１６を排気管１４側に切り換えて排ガスの流れをＮＯｘ吸蔵触媒４２を通る通常の流れとする。

このように、本発明に係る排気浄化装置によれば、エンジン１がローアイドル運転状態にあって触媒温度が活性下限温度Ｔa未満である場合には、ＥＧＲガスを大量に吸気側に還流させるとともに排ガスをバイパス管１８に流すようにしており、これにより、ＮＯxのＮＯｘ吸蔵触媒４２への流入を抑止してＮＯｘ吸蔵触媒４２の破過を防止しつつＮＯｘ吸蔵触媒４２に拠らずともＮＯxの低減を図りながらＮＯｘ吸蔵触媒４２のさらなる温度低下を防止でき、さらに、この間に発生するＰＭの大気中への排出を確実に抑えることができる。

ここで、図３を参照すると、上記ローアイドル制御を実施した場合の負荷（アクセル開度）、排気温度、排気管出口ＮＯx（実線）及びＰＭ（破線）、ＥＧＲ量、排気パイパス有無の時間変化がタイムチャートで示されているが、同図に示すように、エンジン１がローアイドル運転状態にあって触媒温度が活性下限温度Ｔa未満である場合において、無理に排気昇温制御等を実施することもなく、ＮＯxの低減を図りながら（実線）、ＰＭの大気中への排出を確実に抑えることができる（破線）。

以上で本発明に係る排気浄化装置の一実施形態の説明を終えるが、本発明の実施形態は上記に限定されるものではない。
例えば、上記実施形態では、ＮＯx触媒をＮＯｘ吸蔵触媒４２で構成するようにしているが、ＮＯｘ吸蔵触媒４２に代えて選択還元型ＮＯx触媒（Selective Catalytic Reduction ＮＯx触媒、略してＳＣＲ触媒）を用いるようにしてもよい。この場合であっても、エンジン１がローアイドル運転状態にあって触媒温度が活性下限温度Ｔa未満であるような場合には、ＥＧＲガスを大量に吸気側に還流させるとともに排ガスをバイパス管１８に流すことで、ＮＯxのＳＣＲ触媒への流入を抑止してＳＣＲ触媒に拠らずともＮＯxの低減を図りながらＳＣＲ触媒のさらなる温度低下を防止でき、さらに、この間に発生するＰＭの大気中への排出を確実に抑えることが可能である。

また、上記実施形態では、ＤＰＦ４１の後段に後段触媒４３を設けるようにしているが、後段触媒４３については無くてもよい。

本発明に係る排気浄化装置を含む内燃機関全体のシステム構成図である。本発明に係る排気浄化装置におけるローアイドル制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。本発明に係るローアイドル制御を実施した場合の負荷（アクセル開度）、排気温度、排気管出口ＮＯx（実線）及びＰＭ（破線）、ＥＧＲ量、排気パイパス有無の時間変化を示すタイムチャートである。

符号の説明

１エンジン（ディーゼルエンジン）
１０電子コントロールユニット（ＥＣＵ）
１６切換弁
１８バイパス管（バイパス通路）
４０後処理装置
４２ＮＯｘ吸蔵触媒（触媒）
６０触媒出口排気温度センサ（触媒温度検出手段）

Claims

内燃機関の排気通路に設けられ、排気中の有害物質を浄化する触媒と、
前記排気通路に前記触媒の下流に位置して設けられ、排気中のパティキュレートマターを捕捉するフィルタと、
前記触媒の温度を検出する触媒温度検出手段と、
前記排気通路から分岐して前記触媒を迂回するよう設けられ、前記フィルタの上流で合流するバイパス通路と、
前記バイパス通路との分岐部に設けられ、排気の流れを前記排気通路側と前記バイパス通路側とに切り換える切換弁と、
前記排気通路から吸気通路に排気の一部を還流させるＥＧＲ通路と、
前記ＥＧＲ通路に設けられ、前記排気の一部の還流量を調節するＥＧＲ弁と、
内燃機関がアイドル運転状態にあるとき、前記触媒温度検出手段により検出される前記触媒の温度が所定の活性下限温度以上のときには前記切換弁を前記排気通路側に切り換え、前記触媒の温度が所定の活性下限温度未満のときには前記切換弁を前記バイパス通路側に切り換えるとともに前記ＥＧＲ弁の開度を最大にする制御手段と、
を備えたことを特徴とする排気浄化装置。
前記触媒は吸蔵型ＮＯx触媒であることを特徴とする、請求項１記載の排気浄化装置。
前記触媒は選択還元型ＮＯx触媒であることを特徴とする、請求項１記載の排気浄化装置。