JP5332664B2 - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンから排出される排気を浄化する排気浄化装置に関する。

従来から、ディーゼルエンジンの排気に含まれる粒子状物質（Particulate Matter；以下「ＰＭ」という）を捕集して、排気を浄化するディーゼルパティキュレートフィルタ（Diesel Particulate Filter；以下「ＤＰＦ」という）を備えた排気浄化装置が知られている（例えば、特許文献１）。

特開平９−５３４４２号公報

ＤＰＦを備えた排気浄化装置においては、ＤＰＦに所定量のＰＭが堆積した時に、排気温度を上昇させ、ＤＰＦ温度をＰＭが自己着火し始める６００℃程度に維持することで、ＤＰＦの機能を強制的に再生するＤＰＦ強制再生制御を行う。しかしながら、特許文献１のようにＤＰＦの下流側の排気通路にＮＯｘ触媒コンバータを備えた排気浄化装置では、ＤＰＦ強制再生制御による熱負荷に起因して、ＮＯｘ触媒コンバータのＮＯｘ触媒が熱劣化しやすいという問題がある。

そこで、本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、ＮＯｘ触媒の熱劣化を抑制しつつ、排気を浄化することができるエンジンの排気浄化装置を提供することを目的とする。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。

本発明は、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタを備えるエンジンの排気浄化装置であって、フィルタよりも上流側の排気通路に設けられ、空燃比に応じてＮＯｘを捕集、脱離、浄化するＮＯｘ触媒を有するＮＯｘ触媒コンバータと、フィルタの温度が、ＮＯｘ中のＮＯ _２ によってフィルタに堆積した粒子状物質が燃焼する燃焼温度範囲内にあるか否かを判定するフィルタ温度判定手段と、フィルタに堆積した粒子状物質の堆積量が、堆積限界量である第１所定値より大きいか否か及び第１所定値よりも小さく設定された第２所定値よりも大きいか否かを判定する堆積量判定手段と、ＮＯｘ中のＮＯ _２ によってフィルタに堆積した粒子状物質が燃焼するように、空燃比をＮＯｘ触媒が捕集したＮＯｘを脱離する脱離空燃比に制御する空燃比制御手段と、排気温度を上昇させることでフィルタに堆積した粒子状物質を燃焼させるフィルタ強制再生手段と、を備え、フィルタ温度が燃焼温度範囲内にあって、堆積量が第２所定値よりも大きい場合に、空燃比制御手段によって空燃比を脱離空燃比に制御し、フィルタに堆積した粒子状物質を燃焼させ、フィルタ温度が燃焼温度範囲内になく、堆積量が第１所定値よりも大きい場合に、フィルタ強制再生手段によって排気温度を上昇させ、フィルタに堆積した粒子状物質を燃焼させる、ことを特徴とする。

本発明によれば、ＮＯｘ触媒から脱離したＮＯｘ中のＮＯ₂によってフィルタに堆積した粒子状物質を燃焼させるので、フィルタ温度を高めて粒子状物質を燃焼させるフィルタ強制再生制御の頻度を低減することができる。これにより、ＮＯｘ触媒の熱劣化を抑制しつつ、排気を浄化することが可能となる。

車両用ディーゼルエンジンの排気浄化装置の概略構成図である。 ＤＰＦ温度と、ＮＯ₂によるＰＭの酸化速度との関係を示す図である。 コントローラが実行するメインルーチンについて説明するフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

図１は、車両用ディーゼルエンジンの排気浄化装置１００の概略構成図である。

図１を参照すると、排気浄化装置１００は、エンジン１０と、外部からの新気をエンジン１０へ流す吸気通路２０と、エンジン１０からの排気を外部に流す排気通路３０と、コントローラ４０とを備える。

吸気通路２０には、吸気絞り弁２１が設けられる。

吸気絞り弁２１は、吸気通路２０の吸気流通面積を変化させることで、エンジン１０に供給される吸気量を調整する。吸気絞り弁２１を通過した吸気は、吸気コレクタを介してエンジン１０の各気筒に分配される。

エンジン１０は、気筒毎にインジェクタ１１を備える。

インジェクタ１１は、エンジン１０の各気筒の燃焼室に臨むように設けられ、燃焼室内に燃料を噴射する。噴射された燃料は、燃焼室内で高圧縮化されて高温になった吸気によって燃焼する。燃焼により生じた排気は、エンジン１０から排気通路３０に排出される。

排気通路３０には、上流から順に酸化触媒コンバータ３１と、ＮＯｘ触媒コンバータ３２と、ＤＰＦ３３とが設けられる。

酸化触媒コンバータ３１は、コージェライト製のモノリス担体に酸化触媒を担持する。酸化触媒コンバータ３１の酸化触媒は、排気空燃比が理論空燃比（ストイキ）よりもリーンの時に、排気中に含まれる一酸化窒素（ＮＯ）を酸化して二酸化窒素（ＮＯ₂）を生成する。

ＮＯｘ触媒コンバータ３２は、コージェライト製のモノリス担体にＮＯｘ触媒を担持する。ＮＯｘ触媒コンバータ３２のＮＯｘ触媒は、排気空燃比がストイキよりもリーンの時に排気中のＮＯ₂等のＮＯｘを捕捉し、排気空燃比がストイキ又はリッチのときにＮＯｘを脱離、還元する。

ＤＰＦ３３は、コージェライト製の多孔質のハニカム構造体であって、排気が流れる流路を多孔質薄壁によって格子状に仕切る。各流路の入口は交互に目封じされ、入口が目封じされない流路は出口が目封じされるので、ＤＰＦ３３に流入した排気に含まれるＰＭは多孔質薄壁を通過する際に、その内側表面で捕集される。したがって、ＤＰＦ３３は、エンジン１０から排出された排気に含まれるＰＭを捕集し、ＰＭを除去した排気を下流に流す。

コントローラ４０は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。

コントローラ４０には、エンジン回転速度を検出するクランク角度センサ４１と、アクセルペダルの踏込み量を検出するアクセルペダルセンサ４２と、ＤＰＦ３３の入口側の排気温度を検出する温度センサ４３と、ＤＰＦ３３の入口側の排気圧力を検出する圧力センサ４４とからの検出データがそれぞれ信号として入力する。

コントローラ４０は、これらの入力信号に基づいてＮＯｘ触媒コンバータ３２におけるＮＯｘ堆積量及びＤＰＦ３３におけるＰＭ堆積量を算出し、ＮＯｘ触媒及びＤＰＦ３３の再生制御を実施する。

ところで、ＤＰＦを備える排気浄化装置では、ＤＰＦに所定量のＰＭが堆積した時に、ＤＰＦ温度を６００℃以上にしてＤＰＦ強制再生制御を実行することで、ＰＭを燃焼除去する。そのため、ＤＰＦ強制再生制御による熱負荷に起因して、ＮＯｘ触媒が熱劣化しやすいという問題がある。

本実施形態の排気浄化装置１００では、ＤＰＦ強制再生制御を実施する他に、ＮＯｘ触媒コンバータ３２のＮＯｘ触媒に蓄えられたＮＯ₂を利用してＤＰＦ３３に堆積したＰＭを酸化除去する。ＮＯｘ中のＮＯ₂によるＤＰＦ３３の再生制御は、ＤＰＦ温度がＤＰＦ強制再生時よりも低温の時に実施され、ＮＯ₂とＰＭの主成分である煤（Ｃ）とを２ＮＯ₂＋２Ｃ→Ｎ₂＋２ＣＯ₂のように反応させて、ＤＰＦ３３に堆積しているＰＭを燃焼させるものである。

図２は、ＤＰＦ温度と、ＮＯ₂によるＰＭの酸化速度との関係を示す図である。

図２に示すように、ＤＰＦ温度が３００℃よりも高くなるとＮＯ₂によってＤＰＦ３３に堆積したＰＭの煤が酸化除去されやすくなり、ＤＰＦ温度が４００℃程度で酸化速度が最大となる。ディーゼル用のエンジン１０では排気温度を上昇させるような制御を行わない限りＤＰＦ温度が４００℃を超えることはないため、ＤＰＦ温度が３００℃から４００℃の範囲にある時にＮＯｘ触媒に蓄えられたＮＯ₂を利用してＤＰＦ３３に堆積したＰＭを燃焼させる。このように排気浄化装置１００では、ＮＯｘ中のＮＯ₂によってＤＰＦ３３を再生することで、ＤＰＦ強制再生制御の頻度を低減し、ＮＯｘ触媒の熱劣化の抑制を図るのである。

次に、図３を参照して、コントローラ４０が実施するＮＯｘ触媒及びＤＰＦ３３の再生制御について説明する。

図３は、コントローラ４０が実行するメインルーチンについて説明するフローチャートである。このメインルーチンは、エンジン１００の運転中に一定間隔、例えば１０ｍｓで繰り返し実行される。

ステップＳ１０１では、コントローラ４０は、ＮＯｘ触媒コンバータ３２のＮＯｘ触媒におけるＮＯｘ堆積量が所定値ＮＯＸよりも大きいか否かを判定する。

ＮＯｘ堆積量は、クランク角度センサ４１の検出値とアクセルペダルセンサ４２の検出値とから求められるＮＯｘ量を積算することによって算出される。

ＮＯｘ堆積量が所定値ＮＯＸよりも大きい場合には、コントローラ４０はステップＳ１０２の処理を実行する。それ以外の場合には、コントローラ４０は処理を終了する。

ステップＳ１０２では、コントローラ４０は、ＤＰＦ温度が３００℃から４００℃の範囲内にあるか否かを判定する。本実施形態では、温度センサ４３によって検出されたＤＰＦ入口側の排気温度をＤＰＦ温度と推定する。

コントローラ４０は、ＤＰＦ温度が３００℃から４００℃の範囲内にある場合にはステップＳ１０３の処理を実行し、それ以外の場合にはステップＳ１０６の処理を実行する。

ステップＳ１０３では、コントローラ４０は、ＤＰＦ３３におけるＰＭ堆積量が所定値ＰＭ１よりも大きいか否かを判定する。

ＰＭ堆積量は、圧力センサ４４によって検出されたＤＰＦ入口側の排気圧力に基づいて算出される。

コントローラ４０は、ＤＰＦ３３におけるＰＭ堆積量が所定値ＰＭ１よりも大きい場合にはステップＳ１０４の処理を実行し、それ以外の場合にはステップＳ１０５の処理を実行する。

ステップＳ１０４では、コントローラ４０は、ＮＯｘ脱離制御を実施して、処理を終了する。

ＮＯｘ脱離制御においては、排気空燃比をストイキ、より具体的には空気過剰率λを１．０程度に設定する。この排気空燃比は、ＮＯｘ触媒からＮＯｘが脱利する空燃比である。排気空燃比は、吸気絞り弁２１の開度やインジェクタ１１からの燃料噴射量を調整することで制御される。

なお、ＮＯｘ脱離制御における排気空燃比は、ストイキとほぼ同じであるが僅かにリッチにしてもよい。

上記のように排気空燃比を制御することで、ＮＯｘ触媒コンバータ３２のＮＯｘ触媒に蓄えられているＮＯｘを脱離させる。脱離したＮＯｘのほとんどは、ＮＯｘ触媒において浄化されずに、ＤＰＦ３３に流入する。このときＤＰＦ温度は３００℃から４００℃程度であるので、ＮＯｘ中のＮＯ₂によってＤＰＦ３３に堆積しているＰＭの煤が燃焼除去される。これにより、ＮＯｘ触媒コンバータ３２のＮＯｘ触媒の再生を行うとともに、ＤＰＦ３３の再生も行うことができる。

ＰＭ堆積量がＰＭ１よりも小さい場合には、ステップＳ１０５において、コントローラ４０はＮＯｘ浄化制御を実施して処理を終了する。

ＮＯｘ浄化制御においては、排気空燃比をストイキよりもリッチ、より具体的には空気過剰率λを０．８程度に制御することで、ＮＯｘ触媒コンバータ３２のＮＯｘ触媒に蓄えられているＮＯｘを脱離させ、脱離したＮＯｘを排気中の炭化水素（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）によって還元浄化する。これにより、ＮＯｘ触媒コンバータ３２のＮＯｘ触媒の再生を行うことができる。

排気空燃比をストイキよりもリッチにすると排気に含まれるＰＭ量が増加するが、ＮＯｘ浄化制御はＰＭ堆積量が所定値ＰＭ１よりも小さい時に実施するので、排気中のＰＭ量が増加したとしてもＤＰＦ３３においてＰＭが過堆積となることがない。

一方、ＤＰＦ温度が３００℃から４００℃の範囲内にない場合には、ステップＳ１０６において、コントローラ４０は、ＤＰＦ３３におけるＰＭ堆積量が所定値ＰＭ２よりも大きいか否かを判定する。所定値ＰＭ２は、ステップＳ１０３における所定値ＰＭ１よりも大きい値であって、ＰＭ堆積量限界値である。

ＤＰＦ３３におけるＰＭ堆積量が所定値ＰＭ２よりも大きい場合には、早急にＤＰＦを再生する必要があるので、コントローラ４０は、ステップＳ１０７においてＤＰＦ強制再生制御を実施する。それ以外の場合には、コントローラ４０はステップＳ１０５の処理を実行する。

ステップＳ１０７では、コントローラ４０は、ＤＰＦ強制再生制御を実施して処理を終了する。

ＤＰＦ強制再生制御では、主燃料噴射時期を遅角したり、主燃料噴射の後にポスト燃料噴射したりして、排気温度を上昇させて、ＤＰＦ温度を６００℃程度に維持して、ＤＰＦ３３に堆積したＰＭを燃焼させる。

以上により、本実施形態の排気浄化装置１００では、下記の効果を得ることができる。

排気浄化装置１００では、ＤＰＦ３３の上流側の排気通路３０にＮＯｘ触媒コンバータを備え、ＤＰＦ温度が３００℃から４００℃にある時にＮＯｘ脱離制御を実施することで、ＮＯｘ触媒から脱離したＮＯｘ中のＮＯ₂によってＤＰＦ３３に堆積したＰＭの煤を燃焼させる。ＮＯｘ触媒から脱離したＮＯ₂を利用してＤＰＦ３３を再生するので、排気温度を上昇させる必要があるＤＰＦ強制再生制御の頻度を低減することができる。したがって、排気浄化装置１００は、ＮＯｘ触媒の熱劣化を抑制しつつ、排気を浄化することができる。

ＤＰＦ強制再生制御において主燃料噴射とは別にポスト燃料噴射をして排気温度を上昇させるが、ＤＰＦ強制再生制御の頻度が低減すれば、ポスト燃料噴射の回数も減るので、未燃燃料によるオイル希釈が抑制されるとともに燃費性能が向上する。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

本実施形態では、温度センサ４３によって検出されたＤＰＦ入口側の排気温度をＤＰＦ温度としたが、ＤＰＦ３３に温度センサを設置してＤＰＦ温度を直接検出するようにしてもよい。

また、本実施形態では、圧力センサ４４によって検出されたＤＰＦ入口側の排気圧力に基づいてＰＭ堆積量を算出したが、クランク角度センサ４１の検出値とアクセルペダルセンサ４２の検出値とから求められるＰＭ量を積算することによってＰＭ堆積量を算出するようにしてもよい。

１００ 排気浄化装置
１０ エンジン
１１ インジェクタ
２０ 吸気通路
２１ 吸気絞り弁
３０ 排気通路
３１ 酸化触媒コンバータ
３２ ＮＯｘ触媒コンバータ
３３ ディーゼルパティキュレートフィルタ（フィルタ）
４０ コントローラ（空燃比制御手段）

Claims (4)

1. 排気中の粒子状物質を捕集するフィルタを備えるエンジンの排気浄化装置であって、
   前記フィルタよりも上流側の排気通路に設けられ、空燃比に応じてＮＯｘを捕集、脱離、浄化するＮＯｘ触媒を有するＮＯｘ触媒コンバータと、
   前記フィルタの温度が、ＮＯｘ中のＮＯ _２ によって前記フィルタに堆積した粒子状物質が燃焼する燃焼温度範囲内にあるか否かを判定するフィルタ温度判定手段と、
   前記フィルタに堆積した粒子状物質の堆積量が、堆積限界量である第１所定値より大きいか否か及び第１所定値よりも小さく設定された第２所定値よりも大きいか否かを判定する堆積量判定手段と、
   ＮＯｘ中のＮＯ_２によって前記フィルタに堆積した粒子状物質が燃焼するように、空燃比を前記ＮＯｘ触媒が捕集したＮＯｘを脱離する脱離空燃比に制御する空燃比制御手段と、
   排気温度を上昇させることで前記フィルタに堆積した粒子状物質を燃焼させるフィルタ強制再生手段と、を備え、
   前記フィルタ温度が前記燃焼温度範囲内にあって、前記堆積量が第２所定値よりも大きい場合に、前記空燃比制御手段によって空燃比を脱離空燃比に制御し、前記フィルタに堆積した粒子状物質を燃焼させ、
   前記フィルタ温度が前記燃焼温度範囲内になく、前記堆積量が第１所定値よりも大きい場合に、前記フィルタ強制再生手段によって排気温度を上昇させ、前記フィルタに堆積した粒子状物質を燃焼させる、
   ことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
2. 前記空燃比制御手段は、脱離空燃比が理論空燃比又は理論空燃比よりも僅かにリッチとなるように制御することで、前記ＮＯｘ触媒が捕集したＮＯｘを脱離させる、
   ことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
3. 前記空燃比制御手段は、前記フィルタ温度が前記燃焼温度範囲内にあって前記堆積量が第２所定値よりも小さい場合、及び前記フィルタ温度が前記燃焼温度範囲内になく前記堆積量が第１所定値よりも小さい場合に、空燃比を脱離空燃比よりもリッチ側の浄化空燃比に制御し、前記ＮＯｘ触媒において捕集したＮＯｘを脱離、浄化させる、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のエンジンの排気浄化装置。
4. 前記燃焼温度範囲は、３００℃から４００℃の温度範囲である、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のエンジンの排気浄化装置。

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