JP2009275561A - 排気ガス浄化システム及びその制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ＮＯｘ浄化触媒又は触媒付きＤＰＦの少なくとも一方を使用している排気ガス浄化システムにおいて、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ再生や触媒付きＤＰＦのＰＭ強制再生を、内燃機関の運転状態が低負荷運転状態であっても実施可能とする排気ガス浄化システム及びその制御方法を提供する。
【解決手段】内燃機関１０の排気通路１１の上流側から、排気管内直接噴射装置４７と、酸化触媒３１と、ＮＯｘ浄化触媒３２又は触媒付きＤＰＦ３３の少なくとも一方を備えた排気ガス浄化システム１において、前記酸化触媒３１の担体を金属材料又は金属材料の比熱以下の比熱を持つ材料で、排気ガスの混合機能を有する構造に形成する。
【選択図】図２
【解決手段】内燃機関１０の排気通路１１の上流側から、排気管内直接噴射装置４７と、酸化触媒３１と、ＮＯｘ浄化触媒３２又は触媒付きＤＰＦ３３の少なくとも一方を備えた排気ガス浄化システム１において、前記酸化触媒３１の担体を金属材料又は金属材料の比熱以下の比熱を持つ材料で、排気ガスの混合機能を有する構造に形成する。
【選択図】図２
Description
本発明は、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒又は触媒付きＤＰＦの少なくとも一方を有する排気ガス浄化システムにおいて、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ吸蔵能力を回復するＮＯｘ再生制御と触媒付きＤＰＦのＰＭ捕集能力を回復するＰＭ強制再生制御を、内燃機関の運転状態が低負荷状態であっても実施可能とする排気ガス浄化システム及びその制御方法に関する。
ディーゼルエンジンや筒内ガソリン直接噴射エンジン（ＧＤＩ）等の排気ガス中のＮＯｘの浄化のために使用されているＮＯｘ浄化触媒（ＤｅＮＯｘ触媒）の一つに、リーンＮＯｘトラップ（ＬＮＴ）と呼ばれるＮＯｘ吸蔵還元型触媒がある。この触媒は、アルカリ金属(例えば、カリウムＫ等)又はアルカリ土類金属(例えば、バリウムＢａ等)の吸蔵材を白金Ｐｔ等の貴金属と共に担持して形成される。
このＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、排気ガスが酸素過剰な空燃比リーン状態では、排気ガス中のＮＯを酸化して吸蔵材の硝酸塩の形でＮＯｘを吸蔵し、排ガスが酸素が殆ど無い空燃比リッチ状態では、吸蔵したＮＯｘを放出すると共に、この放出されたＮＯｘを三元触媒機能によりＨＣ，ＣＯ等の還元剤で還元してＮＯｘを低減している。
このＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ吸蔵能力を回復するためのＮＯｘ再生制御において、排気ガスの空燃比をリッチ状態にするときには、シリンダ内燃料噴射制御で主噴射の後に更に燃料を噴射するポスト噴射を行ったり、排気管内へ燃料を直接噴射する排気管内直接噴射を行ったりして、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒に燃料等の還元剤を供給することが行われている。
また、ディーゼルエンジンから排出されるＰＭ（粒子状物質）をフィルタで捕集する連続再生型ディーゼルパティキュレートフィルタ装置（ＤＰＦ装置）がある。この連続再生ＤＰＦ装置では、排気ガス温度が比較的高いとき（約３５０℃以上）ではフィルタに捕集されたＰＭは連続的に燃焼して浄化されるが、排気ガス温度が低い場合には、フィルタが担持している酸化触媒やＰＭ酸化触媒の温度が低下して活性化しないため、ＰＭを酸化してフィルタを自己再生することが困難となる。そのため、フィルタへのＰＭの堆積により目詰まりが進行し、排圧上昇の問題が生じる。
そこで、フィルタへのＰＭ堆積量が所定の量を超えたときに、排気ガスを強制的に昇温させて、捕集したＰＭを強制的に燃焼除去するＰＭ強制再生を行っている。このＰＭ強制再生では、ポスト噴射又は排気管内直接噴射を行って排気ガス中に燃料等の未燃ＨＣ（炭化水素）を供給し、この供給された未燃ＨＣを、フィルタ上流側に配置された酸化触媒やフィルタに担持した酸化触媒で燃焼させている。この酸化反応熱を利用して、フィルタ入口やフィルタ表面の排気ガス温度を上昇させることにより、フィルタに蓄積されたＰＭが燃焼する温度以上にフィルタを昇温してＰＭを燃焼除去している。
このような排気管内に未燃ＨＣを供給する方法としては、ポスト噴射と排気管内直接噴射とがあるが、排気管内直接噴射を用いるとシリンダ内の燃焼に影響を与えずに未燃ＨＣの供給量を調整できるという利点があるため、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒における還元剤噴射用や、ＤＰＦに捕集したＰＭを強制的に燃焼させるための排気ガス昇温用として、排気管に直接燃料を噴射する排気管内直接噴射が実用化され始めている。
しかしながら、この排気管内直接噴射の場合は、ポスト噴射の場合と同様に、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒や酸化触媒の活性化温度以下では、燃料を排気管内に噴射しても酸化反応が生することなく、これらの触媒を通り抜けて流出して、白煙などを発生する。この場合において、排気管内直接噴射の場合の方が、ポスト噴射のように未燃ＨＣがガス化していないので、ポスト噴射の場合よりも白煙を発生し易くなっている。そのため、排気管内直接噴射を使用できる領域は、触媒の活性化温度により規制され、低負荷走行時等にはＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ再生やＤＰＦのＰＭ強制再生を行うことは難しいという問題がある。
一方、外周面上を外壁部としその内部に一端から他端まで連通する複数のセルを形成する隔壁を含むセル構造部をもつセル構造体において、セル構造部をセラミック材料又は金属材料を主成分とし、外壁部をセラミック材料を主成分とすることにより、外壁部の断熱性を高くすることにより、セル構造部の昇温速度を向上させ、温度分布を均一とするセル構造体が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００５−１９９１７９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、ＮＯｘ浄化触媒又は触媒付きＤＰＦの少なくとも一方を使用している排気ガス浄化システムにおいて、担体を金属材料又は金属材料の比熱以下の比熱を持つ材料で、排気ガスの混合機能を有する構造に形成した酸化触媒を利用して、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ再生や触媒付きＤＰＦのＰＭ強制再生を、内燃機関の運転状態が低負荷運転状態であっても実施可能とする排気ガス浄化システム及びその制御方法を提供することにある。
上記のような目的を達成するための排気ガス浄化システムは、内燃機関の排気通路の上流側から、排気管内直接噴射装置と、酸化触媒と、ＮＯｘ浄化触媒又は触媒付きＤＰＦの少なくとも一方を備えた排気ガス浄化システムにおいて、前記酸化触媒の担体を金属材料又は金属材料の比熱以下の比熱を持つ材料で、排気ガスの混合機能を有する構造に形成して構成される。
この構成によれば、ポスト噴射のようにシリンダ内で噴射された未燃燃料がガス化して、排気ガスと略均一に混合した場合と異なり、排気管内直接噴射では噴射直後では、未燃燃料がガス化しておらず、未燃燃料の拡散と排気ガスとの混合が必要であるが、酸化触媒が排気ガスの混合機能、即ち、ミキサー機能を有して構成されることにより、酸化触媒の担体を通過中に未燃燃料と排気ガスとが略均一に混合する。なお、ここで排気管内直接噴射で噴射されるものとして、未燃燃料で説明しているが、本発明では、排気管内直接噴射で噴射されるものには、燃料、及び、燃料以外の酸化促進剤、ＰＭの酸化促進剤、ＮＯｘ還元剤等も含むものとする。
その上、酸化触媒の担体を金属材料又は金属材料の比熱以下の比熱を持つ材料で形成しているので、酸化触媒全体の比熱が小さくなり、昇温に要する熱量が少なくなり、酸化触媒は速やかに温度上昇するようになる。また、金属材料は熱伝導率が高いため酸化触媒が全体的に均一温度となり易い。そのため、酸化触媒は、内燃機関の運転開始時には、比較的早く昇温すると共に、未燃燃料の酸化反応熱も少ない量でも速やかに昇温できるようになる。
従って、この酸化触媒の混合機能と迅速な昇温により、未燃燃料がガス化して酸化反応が行われ易くなる。その結果、下流側でのＮＯｘ還元反応やＰＭ燃焼が促進されると共には白煙の発生を防止できるので、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ再生や触媒付きＤＰＦのＰＭ強制再生を、内燃機関の運転状態が低負荷運転状態であっても実施可能とすることができる。
つまり、図６に示すように、従来技術の比熱が比較的大きいコージェライト担体の酸化触媒Ｂでは、緩加速状態では排気温度の上昇下降があるが、それに追従する酸化触媒の温度変化の幅が小さく、ある程度の加速状態でないと、酸化触媒は触媒活性化温度（例えば、２００℃）に到達しない。一方、本発明のように金属材料など比熱の比較的小さい材料の担体で形成された酸化触媒Ａでは、緩加速状態の排気温度の上昇下降に対して、それに追従する酸化触媒の温度変化の幅が大きく、短時間であっても酸化触媒が触媒活性化温度に到達する場合が生じ易くなる。そのため、このタイミングを捉えて未燃燃料を供給することにより、酸化触媒の温度を昇温して触媒活性化温度以上に維持できるようになる。その結果、内燃機関の運転状態が低負荷運転状態であっても、排気ガスやＮＯｘ吸蔵還元型触媒や触媒付きＤＰＦを昇温することができるようになる。
上記の排気ガス浄化システムにおいて、前記酸化触媒の温度を指標する第１指標温度が、第１判定温度を超えた場合には、前記酸化触媒を昇温する所定の第１供給量で排気管内直接噴射を行い、第２判定温度を超えた場合には、排気ガスを昇温する所定の第２供給量で排気管内直接噴射を行い、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒又は触媒付きＤＰＦの温度を指標する第２指標温度が第３判定温度に達した場合には、ＮＯｘ再生又はＰＭ強制再生を行う所定の第３供給量で排気管内直接噴射を行う排気ガス浄化用制御装置を備えて構成される。
この構成によれば、酸化触媒の温度を指標する第１指標温度が、第１判定温度を超えた場合には、比較的少量の所定の第１供給量で排気管内直接噴射を行って酸化触媒における未燃燃料の酸化反応により酸化触媒を昇温できる。その後、第１指標温度が昇温して第１判定温度より１０℃〜３０℃程度高い第２判定温度を超えた場合には、酸化触媒の温度を安定して活性化温度以上に維持できるとして、酸化触媒で酸化できる量の所定の第２供給量で排気管内直接噴射を行うことにより、酸化触媒における未燃燃料の酸化反応熱により排気ガスを昇温できる。
この所定の第１供給量は酸化触媒の温度を活性化温度以上に継続して維持できるように酸化触媒自体を昇温するためのものであり、比較的少量で第１指標温度が第２判定温度に至るまでの比較的短時間の間行われる。この噴射の目的は酸化触媒の昇温であり、この時点では排気ガス温度が低く、大量に噴射すると白煙が発生するので、温度と排気ガスの流量に応じた供給量を予め求めておき、マップデータなどとして排気ガス浄化用制御装置に記憶し、実行時にこのデータを参照して供給量を算出する。つまり、図７に示すように、ＨＣライトオフが１００％の温度（Ｔ２）で酸化できる噴射量をＱａとし、図７の特性カーブから現在の温度Ｔ１時の可能噴射量Ｑｂ＝Ｑａ×Ｃａ／１００を求める。
また、所定の第２供給量は酸化触媒が活性化温度以上を継続して維持できている状態で、下流側のＮＯｘ吸蔵還元型触媒や触媒付きＤＰＦを昇温するために排気ガスを昇温するためのものであり、第１供給量とは別の所定の第２供給量で未燃燃料を供給する。この第２供給量は、排気ガス、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒、触媒付きＤＰＦ等を昇温するのに十分な量とする。つまり、この第２供給量も図７に示すような特性カーブに従って、第１供給量と同様にして求める。
更に、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒に関係する場合には、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の温度を指標する第２指標温度が、ＮＯｘ再生が可能な第３判定温度に達した場合には、所定の第３供給量で排気管内直接噴射を行ってＮＯｘ再生を行うことができる。あるいは、触媒付きＤＰＦに関係する場合には、触媒付きＤＰＦの温度を指標する第２指標温度が、ＰＭ強制再生が可能な第３判定温度に達した場合には、所定の第３供給量で排気管内直接噴射を行ってＰＭ強制再生を行うことができる。
また、上記の排気ガス浄化システムにおいて、前記排気ガス浄化用制御装置が、前記第１判定温度として前記酸化触媒の温度が２００℃となる温度を採用し、前記第２判定温度として前記酸化触媒の温度が２２０℃となる温度を採用すると共に、ＮＯｘ再生用で前記第３判定温度として前記酸化触媒の温度が２５０℃となる温度を採用するか、あるいは、ＰＭ強制再生用で前記第３判定温度として前記酸化触媒の温度が３００℃となる温度を採用する。この構成によれば、各判定温度を適切な値に設定できるので、効率よく、酸化触媒の昇温と排気ガスの昇温とＮＯｘ再生又はＰＭ強制再生を行うことができる。
また、上記の目的を達成するための排気ガス浄化システムの制御方法は、内燃機関の排気通路の上流側から、排気管内直接噴射装置と、酸化触媒と、ＮＯｘ浄化触媒又は触媒付きＤＰＦの少なくとも一方を備えると共に、前記酸化触媒の担体を金属材料又は金属材料の比熱以下の比熱を持つ材料で、排気ガスの混合機能を有する構造に形成した排気ガス浄化システムの制御方法において、前記酸化触媒の温度を指標する第１指標温度が、第１判定温度を超えた場合には、前記酸化触媒を昇温する所定の第１供給量で排気管内直接噴射を行い、第２判定温度を超えた場合には、排気ガスを昇温する所定の第２供給量で排気管内直接噴射を行い、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒又は触媒付きＤＰＦの温度を指標する第２指標温度が第３判定温度に達した場合には、ＮＯｘ再生又はＰＭ強制再生を行う所定の第３供給量で排気管内直接噴射を行うことを特徴とする制御方法である。
この制御方法によれば、酸化触媒の温度を指標する第１指標温度が、第１判定温度を超えた場合には、比較的少量の所定の第１供給量で排気管内直接噴射を行って酸化触媒を昇温でき、昇温して第１指標温度が第１判定温度より１０℃〜３０℃程度高い第２判定温度を超えた場合には、酸化触媒で酸化できる量の所定の第２供給量で排気管内直接噴射を行って、酸化触媒における未燃燃料の酸化反応熱により排気ガスを昇温できる。
更に、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒に関係する場合には、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の温度を指標する第２指標温度が、ＮＯｘ再生が可能な第３判定温度に達した場合には、所定の第３供給量で排気管内直接噴射を行ってＮＯｘ再生を行うことができる。あるいは、触媒付きＤＰＦに関係する場合には、触媒付きＤＰＦの温度を指標する第２指標温度が、ＰＭ強制再生が可能な第３判定温度に達した場合には、所定の第３供給量で排気管内直接噴射を行ってＰＭ強制再生を行うことができる。
上記の排気ガス浄化システムの制御方法において、前記第１判定温度として前記酸化触媒の温度が２００℃となる温度を採用し、前記第２判定温度として前記酸化触媒の温度が２２０℃となる温度を採用すると共に、ＮＯｘ再生用として前記第３判定温度として前記酸化触媒の温度が２５０℃となる温度を採用するか、あるいは、ＰＭ強制再生用として前記第３判定温度として前記酸化触媒の温度が３００℃となる温度を採用する。この方法によれば、各判定温度を適切な値に設定できるので、効率よく、酸化触媒の昇温と排気ガスの昇温とＮＯｘ再生又はＰＭ強制再生を行うことができる。
本発明に係る排気ガス浄化システム及びその制御方法によれば、ＮＯｘ浄化触媒又は触媒付きＤＰＦの少なくとも一方を使用している排気ガス浄化システムにおいて、従来技術の酸化触媒をセラミック担体で構成し、ポスト噴射による未燃燃料の供給する場合では、ＮＯｘ再生やＰＭ強制再生をすることができなった低負荷走行運転の場合でも、これらの再生が行えるようになり、より広い走行領域においてＮＯｘ再生やＰＭ強制再生を実施できるようになる。
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その制御方法について、ディーゼルエンジンの排気通路を通過する排気ガスのＮＯｘとＰＭを浄化する排気ガス浄化システムを例にし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、ディーゼルエンジン（内燃機関）１０の排気通路１１に上流側から、ターボチャジャ１２のタービン１２ａと、排気ガス浄化装置３０と、排気絞り弁１３が設けられる。この排気ガス処理装置３０は、上流側から順に、酸化触媒（ＤＯＣ）３１、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒（ＬＮＴ）３２、酸化触媒又はＰＭ酸化触媒を担持した触媒付きＤＰＦ（ＣＳＦ）３３を設けて構成される。
この酸化触媒３１は、金属材料で排気ガスの混合機能を有する構造に形成した担持体に、ロジウム、酸化セリウム、白金、酸化アルミニウム等を担持して形成される。この混合機能を有する構造としては、図２に示すような、メタル製の孔開き平フォイル５１とメタル製の孔開き波フォイル５２を積層してチャンネル５３間を流通可能にしたＰＥ（Perforated）構造（ドイツのＥＭＩＴＥＣ社による名称）を用いることができる。この孔開きの孔５１ａ，５２ａの径は例えば８ｍｍφ程度で空孔率３５％程度である。また、図３に示すようなメタル製の平フォイル６１とメタル製の波形状の部分に刻み目（陥没部分）６２ｂを設けた波フォイル６２を積層してチャンネル６３間を流通可能にしたＬＳ（Longitudinal Structure）構造（ドイツのＥＭＩＴＥＣ社による名称）等を用いることができる。このＬＳ構造の刻み目６２ｂによりチャンネルの軸に対して垂直方向に波形が形成される。円筒形に形成する場合には、平ファイル５１，６１と波ファイル５２，６２を積層したものを巻き上げて円筒状に構成する。
この酸化触媒３１は、排気ガス中に未燃燃料であるＨＣ（炭化水素）やＣＯ（一酸化炭素）等があるとこれを酸化する。この酸化で発生する熱により、酸化触媒３１自体や通過する排気ガスを昇温して、この昇温した排気ガスで下流側のＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２と触媒付きＤＰＦ３３を昇温させる。
この構成によりエンジン（内燃機関）１０の排気通路１１の上流側から、排気管内直接噴射装置４７と、酸化触媒３１と、ＮＯｘ浄化触媒３２又は触媒付きＤＰＦ３３の少なくとも一方を備えた排気ガス浄化システム１において、酸化触媒３１の担体を金属材料又は金属材料の比熱以下の比熱を持つ材料で、排気ガスの混合機能を有する構造に形成した構成とすることができる。この酸化触媒３１は昇温性を重視し、排圧の増加の少ない範囲で容量は小さくする。定格排ガス量に対し、Ｓ／Ｖ＝３００，０００ｈｒ-1を目安とする。大きいと昇温しずらく、小さいと活性不足となる。
ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２はリーンＮＯｘトラップ（ＬＮＴ）と呼ばれる触媒の一つであり、コージェライトハニカム等の多孔質のセラミックのハニカム構造等の担持体に、酸化アルミニウム（アルミナ）等で形成された多孔質の触媒コート層を設けて構成される。この触媒コート層に白金等の触媒貴金属と、ＮＯｘ吸蔵機能を持つＮＯｘ吸蔵物質とを担持させる。このＮＯｘ吸蔵物質としては、カリウム、ナトリウム、リチウム、セシウム等のアルカリ金属、バリウム、カルシウムなどのアルカリ土類金属、ランタン、イットリウム等の希土類の中から、一つ又は幾つかの組合せを用いることができる。
このＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２は、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。このＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２は、排気ガスが空燃比リーン状態では、ＮＯｘを吸蔵し、空燃比リッチ状態では、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。つまり、排気ガス中の酸素濃度等によって、ＮＯｘ吸蔵と、ＮＯｘ放出・浄化の二つの機能を発揮する。
触媒付きＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）３３は、多孔質のセラミックのハニカムのチャンネル（セル）の入口と出口を交互に目封じしたモノリスハニカム型のウオールフローフィルタで形成され、この多孔質のセラミックの壁面と内部に、酸化触媒とＰＭ酸化触媒を担持させて形成する。この酸化触媒は白金、パラジウム等から形成され、ＰＭ酸化触媒は、酸化セリウム等の酸化物酸化触媒等で形成される。
また、吸気通路１４には、エアフィルタ１５、マスエアフローセンサ（ＭＡＦセンサ）１６、ターボチャジャ１２のコンプレッサ１２ｂ、インタークーラ１７、吸気スロットル弁１８を設ける。更に、排気マニホールド１０ａと吸気マニホールド１０ｂを連結するＥＧＲ通路１９には、ＥＧＲクーラ２０と、ＥＧＲ弁２１を設ける。
また、排気通路１１には、排気ガス浄化装置３０の上流側に、排気ガスの空燃比制御のために排気ガスの空燃比を検出する空燃比（Ａ／Ｆ）センサ４１を設ける。更に、各触媒３１、３２と触媒付きＤＰＦ３３の温度を推定するために、第１の温度センサ４２を酸化触媒３１の上流側に、第２の温度センサ４３を酸化触媒３１とＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２との間に、第３の温度センサ４４をＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２と触媒付きフィルタ３３との間に、第４の温度センサ４５を触媒付きフィルタ３３の下流側に、それぞれ配置する。また、排気ガス浄化装置３０の下流側には、ＮＯｘセンサ４６を配置する。
また、燃料の排気管内直接噴射を行うために、排気管内直接噴射装置（排気管内燃料噴射弁）４７を排気ガス浄化装置３０の上流側の排気通路（排気管）１１に設ける。この排気管内直接噴射装置４７より、各制御における空燃比リッチ制御時には、燃料である未燃ＨＣが排気通路１１に直接噴射で供給される。この空燃比リッチ制御の対象としては、酸化触媒３１の温度上昇制御、酸化触媒３１を通過する排気ガスの温度上昇制御、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２のＮＯｘ吸蔵能力を回復するためのＮＯｘ再生制御、触媒付きＤＰＦ３３の捕集されたＰＭを強制的に燃焼除去するＰＭ強制再生制御等がある。
このディーゼルエンジン１０では、空気Ａはエアフィルタ１５で浄化された後、マスエアフローセンサ（ＭＡＦセンサ）１６でその質量流量を計測され、コンプレッサ１０ｂで加圧される。その後、空気Ａはインタークーラ１７で冷却され、吸気スロットル弁１８を通過して吸気マニホールド１０ｂに入る。この吸気スロットル弁１８は空気Ａの流量調整を行う。エンジン１０のシリンダ内でこの空気Ａ中に燃料を噴射して燃料を燃焼させる。
この燃焼により生じた排気ガスＧは、排気マニホールド１０ａから排気通路１１のタービン１０ａを駆動した後、排気ガス浄化装置３０を通過して、浄化された排気ガスＧｃとなる。その後、浄化された排気ガスＧｃは、排気絞り弁１３と図示しないマフラー（消音器）を通過して大気中に放出される。また、排気ガスＧの一部はＥＧＲガスＧｅとして、ＥＧＲ通路１９のＥＧＲクーラ２０で冷却された後、ＥＧＲ弁２１を通過して吸気マニホールド１０ｂに入り、空気Ａと混合しシリンダ内に入る。このＥＧＲ弁２１はＥＧＲガスＧｅの流量調整を行う。
また、これらの排気ガス浄化システム１の制御を行うために排気ガス浄化用制御装置４０ａが設けられる。この排気ガス浄化用制御装置４０ａは、通常はエンジン全体を制御するエンジン制御装置（ＥＣＵ）４０に含まれた状態で構成される。この排気ガス浄化用制御装置４０ａには、空燃比センサ４１や第１〜第４の温度センサ４２、４３、４４、４５やＮＯｘセンサ４６等からの入力の他に、エンジン回転数、燃料噴射量（又は負荷）等が入力される。また、この排気ガス浄化用制御装置４０ａはエンジン制御装置４０と密接な関係を持ち、エンジン制御装置４０を介して、シリンダ内燃料噴射、排気絞り弁１３、吸気スロットル弁１８、ＥＧＲ弁２１、排気管内直接噴射装置４７等を制御する。
次に、この排気ガス浄化システム１における排気ガス浄化システムの制御方法について説明する。この制御方法は図４及び図５に例示するような制御フローに従って行われる。図４の制御フローは、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２のＮＯｘ吸蔵能力を回復するＮＯｘ再生のための制御フローであり、図５の制御フローは、触媒付きＤＰＦ３３の捕集ＰＭを強制的に燃焼除去するＰＭ強制再生のための制御フローである。
最初に、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２のＮＯｘ再生のための図４の制御フローについて説明する。この図４の制御フローは、エンジンのスタートと共に、エンジン全般の制御を行うメインの制御フロー等の上級の制御から、ある程度ＮＯｘの吸蔵量が多くなってＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２のＮＯｘ吸蔵能力を回復するためのＮＯｘ再生制御を行ってもよいと判断された際に呼ばれてスタートする。また、エンジンキーのオフ等のエンジン運転の終了を検出すると、割り込みが発生して、上級の制御フローにリターンし、メインの制御フローの終了と共にこの制御フローは終了する。なお、ＮＯｘの吸蔵量が限界を超える恐れが生じるほど多くなった場合には、図４の制御フローではなく、別の制御フロー（図示しない）でＮＯｘ再生が行われる。
この図４の制御フローが上級の制御フローから呼ばれてスタートすると、先ず、ステップＳ１１で、酸化触媒３１の温度を指標する第１指標温度Ｔｃが所定の第１判定温度Ｔｃ１を超えたか否かを判定する。この第１指標温度Ｔｃは直接酸化触媒３１の温度を測定するのが難しいので、代わりに上流側の第１の温度センサ４２の検出温度を使用したり、下流側の第２の温度センサ４３の検出温度を使用したりする。あるいは、これらの温度の平均を使用してもよい。この第１判定温度Ｔｃ１としては酸化触媒３１の温度が、触媒活性化温度（例えば、２００℃）となる温度を採用する。
ステップＳ１１の判定で、第１指標温度Ｔｃが所定の第１判定温度Ｔｃ１以下の場合には（ＮＯ）、ステップＳ１２に行き、排気管内直接噴射装置４７から燃料を噴射せずに、所定の時間（第１指標温度のチェックのインターバルに関係する時間）を経過したらステップＳ１１に戻る。また、ステップＳ１１の判定で、第１指標温度Ｔｃが所定の第１判定温度Ｔｃ１を超えた場合には（ＹＥＳ）、ステップＳ１３に行き、第１指標温度Ｔｃが所定の第２判定温度Ｔｃ２を超えたかを判定する。この第２判定温度Ｔｃ２としては酸化触媒３１の温度が略確実に触媒活性化温度以上を維持でき、大気中への未燃燃料の放出である白煙の発生を防止できる触媒温度（例えば、２２０℃）となる温度を採用する。
ステップＳ１３の判定で、第１指標温度Ｔｃが所定の第１判定温度Ｔｃ１以下の場合には（ＮＯ）、ステップＳ１４に行き、酸化触媒３１の昇温制御を所定の時間（第１指標温度Ｔｃのチェックのインターバルに関係する時間）の間、所定の第１供給量で噴射制御を行い、排気管内直接噴射装置４７から燃料を噴射する。その後ステップＳ１１に戻る。
この所定の第１供給量は酸化触媒３１の温度を活性化温度（例えば、２００℃）以上に継続して維持できるように酸化触媒３１自体を昇温するためのものであり、第１指標温度Ｔｃが第２判定温度Ｔｃ２に至るまで行われる。この制御の目的は酸化触媒３１の昇温であり、このときはまだ排気ガス温度が低く、大量に噴射すると白煙が発生するので、温度と排気ガスの流量に応じた供給量を予め求めておき、マップデータなどとして排気ガス浄化用制御装置４０ａに記憶しておき、実行時にはこの第１供給量用のデータを参照して供給量を算出する。つまり、図７に示すように、ＨＣライトオフが１００％の温度（Ｔ２）で酸化できる噴射量をＱａとし、図７の特性カーブから現在の温度Ｔ１時の可能噴射量Ｑｂ＝Ｑａ×Ｃａ／１００を求める。
ステップＳ１３の判定で、第１指標温度Ｔｃが所定の第２判定温度Ｔｃ２を超えた場合には（ＹＥＳ）、ステップＳ１５に行き、ＮＯｘ再生用の第２指標温度ＴｎがＮＯｘ再生用の所定の第３判定温度Ｔｎ３を超えたか否かを判定する。この第２指標温度Ｔｎは直接ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２の温度を測定するのが難しいので、代わりに上流側の第２の温度センサ４３の検出温度を使用したり、下流側の第３の温度センサ４４の検出温度を使用したりする。あるいは、これらの温度の平均を使用してもよい。この第３判定温度Ｔｎ３としてはＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２の温度が、触ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２の媒活性化温度（例えば、２５０℃）となる温度を採用する。
ステップＳ１５の判定で、第２指標温度Ｔｎが所定の第３判定温度Ｔｎ３以下の場合には（ＮＯ）、ステップＳ１６に行き、酸化触媒３１の温度維持制御を所定の時間（第２指標温度Ｔｎのチェックのインターバルに関係する時間）の間、所定の第２供給量で噴射制御を行い、排気管内直接噴射装置４７から燃料を噴射する。その後ステップＳ１１に戻る。
この所定の第２供給量は酸化触媒３１が活性化温度（例えば、２００℃）以上を継続して維持できる状態で、下流側のＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２を昇温するために排気ガスを昇温するためのものであり、第１供給量とは別の所定の第２供給量で未燃燃料を供給する。この第２の供給量は、排気ガス、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２の昇温に十分な量とする。この制御の目的は酸化触媒３１の温度維持であり、このときは排気ガス温度は比較的高くなっているので、第１の供給量とが別の第２の供給量で未燃燃料を供給する。そのため、この状態で、温度と排気ガスの流量に応じた供給量を予め求めておき、マップデータ等として排気ガス浄化用制御装置４０ａに記憶しておき、実行時にはこの第２供給量用のデータを参照して供給量を算出する。つまり、この第２供給量も図７に示すような特性カーブに従って、第１供給量と同様にして求める。
ステップＳ１５の判定で、第２指標温度Ｔｎが所定の第３判定温度Ｔｎ３を超えた場合には（ＹＥＳ）、ステップＳ１７に行き、ＮＯｘ再生制御用の空燃比制御を行い、ＮＯｘ再生用の所定の第３供給量で排気管内直接噴射装置４７から燃料を噴射する。この制御の目的はＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２のＮＯｘ再生であり、このときは排気ガス温度は十分に高くなっているので、ＮＯｘ再生に適した排気ガスの流量に応じた供給量を予め求めておき、マップデータ等として排気ガス浄化用制御装置４０ａに記憶しておく。実行時にはこのＮＯｘ再生のための第３供給量用のデータを参照して供給量を算出する。なお、このＮＯｘ再生に際しては必要に応じてＥＧＲ制御、吸気絞り制御、排気絞り制御、シリンダ内燃料噴射制御などが並行して行う。
そして、このステップＳ１７をＮＯｘ再生が終了するまで行って、ＮＯｘ再生が終了したら、リターンし、上級の制御フローに戻る。上級の制御フローに戻った後は、再度、ある程度ＮＯｘの吸蔵量が多くなってＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２のＮＯｘ吸蔵能力を回復するためのＮＯｘ再生制御を行ってもよいと判断された場合に、再度図４の制御フローが呼ばれて実行される。必要に応じてこれを繰り返す。
次に、触媒付きＤＰＦ３３のＰＭ強制再生のための図５の制御フローについて説明する。この図５の制御フローは、エンジンのスタートと共に、エンジン全般の制御を行うメインの制御フロー等の上級の制御から、ある程度ＰＭの捕集量が多くなって触媒付きＤＰＦ３３の捕集ＰＭを強制的に燃焼除去するためのＰＭ強制再生制御を行ってもよいと判断された際に呼ばれてスタートする。また、エンジンキーのオフ等のエンジン運転の終了を検出すると、割り込みが発生して、上級の制御フローにリターンし、メインの制御フローの終了と共にこの制御フローは終了する。この図５の制御フローは図４の制御フローのステップＳ１５、Ｓ１７がステップＳ１５Ａ、Ｓ１７Ａにそれぞれ置き換わった以外は図４の制御フローと同じである。なお、ＰＭの堆積量が限界を超える恐れが生じるほど多くなった場合には、図５の制御フローではなく、別の制御フロー（図示しない）でＰＭ強制再生が行われる。
この図５の制御フローが上級の制御フローから呼ばれてスタートすると、図４の制御フローと同様に、ステップＳ１１〜Ｓ１４、Ｓ１６を行う。図５の制御フローのステップＳ１５Ａでは、ＰＭ強制再生用の第２指標温度ＴｐがＰＭ強制再生用の所定の第３判定温度Ｔｐ３を超えたか否かを判定する。この第２指標温度Ｔｐは直接触媒付きＤＰＦ３３の温度を測定するのが難しいので、代わりに上流側の第３の温度センサ４４の検出温度を使用したり、下流側の第４の温度センサ４５の検出温度を使用したりする。あるいは、これらの温度の平均を使用してもよい。この第３判定温度Ｔｐ３としては触媒付きＤＰＦ３３の温度が、ＰＭが燃焼を開始する温度（例えば、３００℃）となる温度を採用する。
ステップＳ１５Ａの判定で、第２指標温度Ｔｐが所定の第３判定温度Ｔｐ３以下の場合には（ＮＯ）、ステップＳ１６に行き、酸化触媒３１の温度維持制御を所定の時間（第２指標温度Ｔｐのチェックのインターバルに関係する時間）の間、所定の第２供給量で噴射制御を行い、排気管内直接噴射装置４７から燃料を噴射する。その後ステップＳ１１に戻る。
ステップＳ１５Ａの判定で、第２指標温度Ｔｐが所定の第３判定温度Ｔｐ３を超えた場合には（ＹＥＳ）、ステップＳ１７Ａに行き、ＰＭ強制再生制御用の空燃比制御を行い、ＰＭ強制再生用の所定の第３供給量で排気管内直接噴射装置４７から燃料を噴射する。この制御の目的は触媒付きＤＰＦ３３のＰＭ強制再生であり、このときは排気ガス温度は十分に高くなっているので、ＰＭ強制再生に適した排気ガスの流量に応じた供給量を予め求めておき、マップデータなどとして排気ガス浄化用制御装置４０ａに記憶しておく。実行時にはこの第３供給量用のＰＭ強制再生のためのデータを参照して供給量を算出する。なお、このＰＭ強制再生に際しては必要に応じてＥＧＲ制御、吸気絞り制御、排気絞り制御、シリンダ内燃料噴射制御などが並行して行う。
そして、このステップＳ１７ＡをＰＭ強制再生が終了するまで行って、ＰＭ強制再生が終了したら、リターンし、上級の制御フローに戻る。上級の制御フローに戻った後は、再度、ある程度ＰＭの捕集量が多くなって触媒付きＤＰＦ３３の捕集ＰＭを強制的に燃焼除去するためのＰＭ強制再生制御を行ってもよいと判断された場合に、再度図５の制御フローが呼ばれて実行される。必要に応じてこれを繰り返す。
また、図４及び図５の制御フローにおいて、第１判定温度Ｔｃ１として酸化触媒３１の温度が２００℃となる温度を採用し、第２判定温度Ｔｃ３として酸化触媒３１の温度が２２０℃となる温度を採用すると共に、ＮＯｘ再生用で第３判定温度Ｔｎ３としてＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２の温度が２５０℃となる温度を採用するか、あるいは、ＰＭ強制再生用で前記第３判定温度として触媒付きＤＰＦ３３の温度が３００℃となる温度を採用する。これにより、各判定温度を適切な値に設定して、効率よく、酸化触媒３１の昇温と排気ガスの昇温とＮＯｘ再生又はＰＭ強制再生を行う。
これらの制御により、エンジン（内燃機関）１０の排気通路１１の上流側から、排気管内直接噴射装置４７と、酸化触媒３１と、ＮＯｘ浄化触媒３２又は触媒付きＤＰＦ３３の少なくとも一方を備えると共に、酸化触媒３１の担体を金属材料又は金属材料の比熱以下の比熱を持つ材料で、排気ガスの混合機能を有する構造に形成した排気ガス浄化システム１の制御方法において、酸化触媒３１の温度を指標する第１指標温度Ｔｃが、第１判定温度Ｔｃ１を超えた場合には、酸化触媒３１を昇温する所定の第１供給量で排気管内直接噴射を行い、第２判定温度Ｔｃ２を超えた場合には、排気ガスを昇温する所定の第２供給量で排気管内直接噴射を行い、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２（又は触媒付きＤＰＦ３３）の温度を指標する第２指標温度Ｔｎ（又はＴｐ）が第３判定温度Ｔｎ３（又はＴｐ３）に達した場合には、ＮＯｘ再生（又はＰＭ強制再生）を行う所定の第３供給量で排気管内直接噴射を行うことができる。
図６に、担体を金属材料又は金属材料の比熱以下の比熱を持つ材料で、排気ガスの混合機能を有する構造に形成した酸化触媒３１を使用した実施例Ａと、比熱が比較的大きいコージェライト担体で形成した酸化触媒を使用した従来例Ｂにおける、酸化触媒の出口排気ガス温度の変化を比較して示す。Ｉｎａは昇温のための少量の排気管内直接噴射を行っている部分を、ＩｎｂはＮＯｘ再生のための排気管内直接噴射を行っている部分を示す。
従来例Ｂの場合には緩加速状態での排気温度の上昇下降に追従する酸化触媒の温度変化の幅が小さく、ある程度の加速状態でないと、酸化触媒は触媒活性化温度（例えば、２００℃）に到達しない。一方、実施例Ａでは、緩加速状態の排気温度の上昇下降に追従する酸化触媒の温度変化の幅が大きく、短時間であるが、酸化触媒が触媒活性化温度に到達する場合が生じ易くなっていることが分かる。そのため、このタイミングを捉えて未燃燃料を供給することにより、酸化触媒の温度を触媒活性化温度以上に維持できるようになる。その結果、内燃機関の運転状態が低負荷運転状態であっても、排気ガスやＮＯｘ吸蔵還元型触媒や触媒付きＤＰＦを昇温することができるようになる。
従って、上記の排気ガス浄化システム１及びその制御方法によれば、ＮＯｘ浄化触媒３２又は触媒付きＤＰＦ３３の少なくとも一方を使用している排気ガス浄化システム１において、低負荷走行運転の場合でもＮＯｘ再生やＰＭ強制再生を行えるようになり、より広い走行領域においてＮＯｘ再生やＰＭ強制再生を実施できるようになる。
１ 排気ガス浄化システム
１０ ディーゼルエンジン
１１ 排気ガス通路
３０ 排気ガス浄化装置
３１ 酸化触媒（ＤＯＣ）
３２ ＮＯｘ吸蔵還元型触媒（ＬＮＴ）
３３ 触媒付きＤＰＦ（ＣＳＦ）
４０ エンジン制御装置（ＥＣＵ）
４０ａ 排気ガス浄化用制御装置
４１ 空燃比（Ａ／Ｆ）センサ
４２、４３、４４、４５ 温度センサ
４６ ＮＯｘセンサ
４７ 排気管内直接噴射装置
５１，６１ 孔開き平フォイル
５１ａ，５２ａ，６１ａ 孔
５２ 孔開き波フォイル
５３，６３ チャンネル
６２ 刻み目を設けた波フォイル
６２ａ 刻み目
Ｔｃ 第１指標温度
Ｔｃ１ 第１判定温度
Ｔｃ２ 第２判定温度
Ｔｎ ＮＯｘ再生用の第２指標温度
Ｔｎ３ ＮＯｘ再生用の第３判定温度
Ｔｐ ＰＭ強制再生用の第２指標温度
Ｔｐ３ ＰＭ強制再生用の第３判定温度
１０ ディーゼルエンジン
１１ 排気ガス通路
３０ 排気ガス浄化装置
３１ 酸化触媒（ＤＯＣ）
３２ ＮＯｘ吸蔵還元型触媒（ＬＮＴ）
３３ 触媒付きＤＰＦ（ＣＳＦ）
４０ エンジン制御装置（ＥＣＵ）
４０ａ 排気ガス浄化用制御装置
４１ 空燃比（Ａ／Ｆ）センサ
４２、４３、４４、４５ 温度センサ
４６ ＮＯｘセンサ
４７ 排気管内直接噴射装置
５１，６１ 孔開き平フォイル
５１ａ，５２ａ，６１ａ 孔
５２ 孔開き波フォイル
５３，６３ チャンネル
６２ 刻み目を設けた波フォイル
６２ａ 刻み目
Ｔｃ 第１指標温度
Ｔｃ１ 第１判定温度
Ｔｃ２ 第２判定温度
Ｔｎ ＮＯｘ再生用の第２指標温度
Ｔｎ３ ＮＯｘ再生用の第３判定温度
Ｔｐ ＰＭ強制再生用の第２指標温度
Ｔｐ３ ＰＭ強制再生用の第３判定温度
Claims (5)
- 内燃機関の排気通路の上流側から、排気管内直接噴射装置と、酸化触媒と、ＮＯｘ浄化触媒又は触媒付きＤＰＦの少なくとも一方を備えた排気ガス浄化システムにおいて、前記酸化触媒の担体を金属材料又は金属材料の比熱以下の比熱を持つ材料で、排気ガスの混合機能を有する構造に形成することを特徴とする排気ガス浄化システム。
- 前記酸化触媒の温度を指標する第１指標温度が、第１判定温度を超えた場合には、前記酸化触媒を昇温する所定の第１供給量で排気管内直接噴射を行い、第２判定温度を超えた場合には、排気ガスを昇温する所定の第２供給量で排気管内直接噴射を行い、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒又は触媒付きＤＰＦの温度を指標する第２指標温度が第３判定温度に達した場合には、ＮＯｘ再生又はＰＭ強制再生を行う所定の第３供給量で排気管内直接噴射を行う排気ガス浄化用制御装置を備えたことを特徴とする請求項１記載の排気ガス浄化システム。
- 前記排気ガス浄化用制御装置が、前記第１判定温度として前記酸化触媒の温度が２００℃となる温度を採用し、前記第２判定温度として前記酸化触媒の温度が２２０℃となる温度を採用すると共に、ＮＯｘ再生用で前記第３判定温度として前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の温度が２５０℃となる温度を採用するか、又は、ＰＭ強制再生用で前記第３判定温度として前記触媒付きＤＰＦの温度が３００℃となる温度を採用することを特徴とする請求項２記載の排気ガス浄化システム。
- 内燃機関の排気通路の上流側から、排気管内直接噴射装置と、酸化触媒と、ＮＯｘ浄化触媒又は触媒付きＤＰＦの少なくとも一方を備えると共に、前記酸化触媒の担体を金属材料又は金属材料の比熱以下の比熱を持つ材料で、排気ガスの混合機能を有する構造に形成した排気ガス浄化システムの制御方法において、
前記酸化触媒の温度を指標する第１指標温度が、第１判定温度を超えた場合には、前記酸化触媒を昇温する所定の第１供給量で排気管内直接噴射を行い、第２判定温度を超えた場合には、排気ガスを昇温する所定の第２供給量で排気管内直接噴射を行い、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒又は触媒付きＤＰＦの温度を指標する第２指標温度が第３判定温度に達した場合には、ＮＯｘ再生又はＰＭ強制再生を行う所定の第３供給量で排気管内直接噴射を行うことを特徴とする排気ガス浄化システムの制御方法。 - 前記第１判定温度として前記酸化触媒の温度が２００℃となる温度を採用し、前記第２判定温度として前記酸化触媒の温度が２２０℃となる温度を採用すると共に、ＮＯｘ再生用で前記第３判定温度として前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の温度が２５０℃となる温度を採用するか、又は、ＰＭ強制再生用で前記第３判定温度として前記触媒付きＤＰＦの温度が３００℃となる温度を採用することを特徴とする請求項４記載の排気ガス浄化システムの制御方法。
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