JP4523317B2 - ディーゼルエンジンの排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気中のＮＯｘをトラップするＮＯｘトラップ触媒と、排気中のＰＭをトラップするＰＭトラップとを備えたディーゼルエンジンの排気浄化装置に関する。

ディーゼルエンジンの排気通路には、排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）を吸着して浄化処理するためのＮＯｘトラップ触媒に加えて、排気中のＰＭ（排気微粒子：Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）を吸着して浄化処理するためのＰＭトラップが設けられる。

ＮＯｘトラップ触媒は、そこに流入する排気の空燃比がリーンのときにＮＯｘを吸着して大気への放散を防止し、排気の空燃比がリッチになってＯ₂濃度が低下すると、排気中の還元成分であるＨＣやＣＯによりＮＯｘを還元浄化する機能（ＮＯｘ再生）を有する。

ＮＯｘ再生は、ディーゼルエンジンの吸気行程における通常の燃料噴射に加えて、排気行程においても燃料を噴射して排気の空燃比を理論空燃比よりも更にリッチ化し、燃料の未燃成分を排気通路に排出してＯ₂濃度を急激に低下させ、還元成分であるＨＣやＣＯを増加させるもので、例えば車両が１０ｋｍ走行する毎に１０秒〜１５秒間に亘って実行される。

ＰＭトラップは排気中のＰＭをトラップして大気への放散を防止するフィルターで構成される。車両の走行距離が増加するに伴ってＰＭトラップがＰＭにより目詰まりして圧損が発生するのを防止すべく、トラップされたＰＭを燃焼させて浄化するＰＭトラップ再生が行われる。ＰＭトラップ再生は、前記ＮＯｘ再生と同様に排気行程においても燃料を噴射して排気の温度を上昇させることでＰＭを燃焼させるもので、例えば車両が３００ｋｍ〜５００ｋｍ走行する毎に１０分〜１５分間に亘って実行される。

下記特許文献１には、ＮＯｘ再生とＰＭトラップ再生とを同時に行うことで、ＮＯｘ再生およびＰＭトラップ再生を別個に行う場合に比べて、空燃比をリッチ化するための燃料消費量を節減するものが記載されている。
特開２００３−２０１８２８号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載されたものは、ＮＯｘ再生の実行時間が僅かに１０秒〜１５秒程度であるため、そのＮＯｘ再生の期間を１０分〜１５分間に亘るＰＭトラップ再生の期間と重複させても、大きな燃料節減効果を得ることは困難であった。またＮＯｘ再生とＰＭトラップ再生とを同時に行う場合には、ＰＭトラップの入口での排気温度を高くする必要があり、そのために燃料消費量が増加する問題があった。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、ディーゼルエンジンの排気浄化に必要な燃料消費量を効果的に節減することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、ディーゼルエンジンの排気通路に、排気の空燃比がリーンのときにＮＯｘをトラップし、排気の空燃比がリッチのときにトラップしたＮＯｘを還元浄化するＮＯｘトラップ触媒と、ＮＯｘトラップ触媒の下流側に配置されて排気中のＰＭをトラップするＰＭトラップと、ＮＯｘトラップ触媒のＳＯｘ被毒を検出するＳＯｘ被毒検出手段と、ＳＯｘ被毒検出手段の検出結果に基づいてＮＯｘトラップ触媒のＳＯｘ被毒を再生すべきか否かを判定するＳＯｘ再生判定手段と、ＰＭトラップに堆積したＰＭの量を検出するＰＭ堆積量検出手段と、ＰＭ堆積量検出手段の検出結果に基づいてＰＭトラップのＰＭ堆積を再生すべきか否かを判定するＰＭ堆積再生判定手段と、ＮＯｘトラップ触媒およびＰＭトラップ間に空気を供給する空気供給手段と、ＮＯｘトラップ触媒を昇温する昇温手段と、ＰＭトラップの温度を検出する温度センサとを備える一方、ディーゼルエンジンＥの吸気通路には、ＮＯｘトラップ触媒に流入する排気の空燃比をリッチ化する空燃比リッチ化手段を備え、ＳＯｘ再生判定手段がＳＯｘ被毒を再生すべきと判断したときに、昇温手段によりＮＯｘトラップ触媒を昇温し、かつ空燃比リッチ化手段によりＮＯｘトラップ触媒に流入する排気の空燃比をリッチ化してＳＯｘ被毒を再生すると同時に、空気供給手段によりＰＭトラップに空気を供給してＰＭ堆積を再生し、そのＰＭ堆積の再生中に、温度センサの検出した温度が所定の閾値を超えた場合には、ＰＭトラップの過熱による劣化を防止するために、空気供給手段からＰＭトラップに供給する空気の量を増加させ、ＳＯｘ再生判定手段がＳＯｘ被毒を再生すべきと判断せず、かつＰＭ堆積再生判定手段がＰＭ堆積を再生すべきと判断したときに、空気供給手段からＰＭトラップへの空気の供給を停止してＰＭ堆積を再生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が提案される。

尚、実施例の燃料噴射弁１６は本発明の空燃比リッチ化手段に対応し、実施例のエアポンプ１８は本発明の空気供給手段に対応し、実施例の走行距離算出手段２０は本発明のＰＭ堆積量検出手段に対応し、実施例のＮＯｘ濃度センサ２２は本発明のＳＯｘ被毒検出手段に対応し、実施例ヒータ２４は本発明の昇温手段に対応する。

請求項１の構成によれば、ＳＯｘ再生判定手段がＳＯｘ被毒を再生すべきと判断したときに、昇温手段によりＮＯｘトラップ触媒を昇温し、かつ空燃比リッチ化手段によりＮＯｘトラップ触媒に流入する排気の空燃比をリッチ化してＳＯｘ被毒を再生すると同時に、空気供給手段によりＰＭトラップに空気を供給することで、堆積されたＰＭを燃焼させてＰＭ堆積を再生するので、ＳＯｘ被毒の再生に伴ってＰＭトラップが自動的に昇温することを利用してＰＭ堆積を再生することが可能になり、ＰＭ堆積の再生のためにＰＭトラップを特別に昇温する必要を無くして燃料消費を節減することができる。しかも、そのＰＭ堆積の再生中に、温度センサの検出したＰＭトラップの温度が所定の閾値を超えた場合には、ＰＭトラップの過熱による劣化を防止するために、空気供給手段からＰＭトラップに供給する空気の量を増加させるので、ＰＭトラップに堆積されたＰＭが燃焼して発生する熱を供給量を増加した空気で冷却し、熱によるＰＭトラップの損傷を回避することができる。また、ＳＯｘ被毒の再生を行わずにＰＭ堆積の再生のみを行う場合に、空気供給手段によるＰＭトラップへの空気の供給を停止してＰＭ堆積を再生するので、通常のＰＭトラップの単独再生を行うことができる。

以下、本発明の実施の形態を、添付の図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。

図１および図２は本発明の一実施例を示すもので、図１はディーゼルエンジンの排気浄化装置の構成を示す図、図２は作用を説明するフローチャートである。

図１に示すように、ディーゼルエンジンＥの排気通路１１に、排気中のＮＯｘを吸着して浄化処理するためのＮＯｘトラップ触媒１２と、排気中のＰＭを吸着して浄化処理するためのＰＭトラップ１３とが設けられる。またディーゼルエンジンＥの吸気通路１４にエアクリーナ１５、吸気流量制御弁２３および燃料噴射弁１６が設けられており、エアクリーナ１５および吸気流量制御弁２３の中間位置と、ＮＯｘトラップ触媒１２およびＰＭトラップ１３の中間位置とを接続する空気供給通路１７に、エアポンプ１８およびエアバルブ１９が配置される。車両の走行距離を算出する走行距離算出手段２０と、ＰＭトラップ１３の温度を検出する温度センサ２１と、ＮＯｘトラップ触媒１２の出口のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘ濃度センサ２２とからの信号が入力される電子制御ユニットＵはＳＯｘ再生判定手段Ｍ１およびＰＭ堆積再生判定手段Ｍ２を備えており、燃料噴射弁１６、エアポンプ１８、エアバルブ１９、吸気流量制御弁２３およびＮＯｘトラップ触媒１２に設けたヒータ２４の作動を制御する。

ディーゼルエンジンＥの運転により発生した排気中に含まれるＮＯｘは、ＮＯｘトラップ触媒１２にトラップされて大気への放散を防止される。ＮＯｘトラップ触媒１２のＮＯｘトラップ量が限界に達する前に、即ち走行距離算出手段２０で算出した車両の走行距離が所定距離（実施例では１０ｋｍ）に達する毎に、電子制御ユニットＵからの指令で燃料噴射弁１６がディーゼルエンジンＥの吸気行程に加えて排気行程においても燃料の噴射を実行し、所定時間（実施例では１０秒〜１５秒）だけ燃料の未燃成分を排気通路１１に排出して排気の空燃比をリッチ化する。その結果、排気中のＯ₂濃度が急激に低下して還元成分であるＨＣ濃度やＣＯ濃度が増加し、ＮＯｘトラップ触媒１２にトラップされたＮＯｘを還元して浄化するＮＯｘ再生が行われる。

ディーゼルエンジンＥの排気中にはＮＯｘ以外にＳＯｘ（硫黄酸化物）が存在しており、このＳＯｘもＮＯｘトラップ触媒１２にトラップされる。ＮＯｘトラップ触媒１２にトラップされたＳＯｘは安定な硫酸塩を形成するためにＮＯｘよりも浄化され難く、ＮＯｘトラップ触媒１２に次第に蓄積されてＮＯｘのトラップ量が減少してしまう問題がある。特に、硫黄成分を多く含む軽油を燃料とするディーゼルエンジンＥでは、ガソリンエンジンよりも上記ＳＯｘ被毒が生じ易い。

このため、走行距離算出手段２０で算出した車両の走行距離が所定距離（実施例では３０００ｋｍ）に達する毎に、電子制御ユニットＵからの指令で前記ＮＯｘ再生時と同様に排気行程における燃料噴射弁１６からの燃料の噴射を所定時間（実施例では２０分）に亘って実行し、排気の空燃比をリッチ化してＮＯｘトラップ触媒１２にトラップされたＳＯｘを還元して浄化するＳＯｘ再生を行う。但し、ＳＯｘはＮＯｘに比べて還元され難いため、ＳＯｘ再生時には電子制御ユニットＵからの指令でヒータ２４を作動させてＮＯｘトラップ触媒１２の温度を高温（例えば６５０℃）に加熱し、ＳＯｘの還元を促進する。因みに、ヒータ２４を作動させないＮＯｘ再生時におけるＮＯｘトラップ触媒１２の温度は、例えば２５０℃である。

排気中のＰＭをトラップして大気への放散を防止するフィルターよりなるＰＭトラップ１３が目詰まりすると、排気通路１１に圧損が発生してディーゼルエンジンＥの出力が低下する問題がある。そこで、ＰＭトラップ１３にトラップされたＰＭを燃焼させて浄化するＰＭトラップ再生が行われる。ＰＭトラップ再生は、電子制御ユニットＵからの指令で吸気流量制御弁２３の開度を減少させた状態で、更にヒータ２４によって排気の温度を上昇させてＰＭを燃焼させることで達成される。このＰＭトラップ再生は車両が３００ｋｍ〜５００ｋｍ走行する毎に行われる。ＰＭトラップ再生時にもＳＯｘ再生時にも空燃比のリッチ化が行われ、更にＰＭトラップ再生の実行時間は１０分〜１５分であってＳＯｘ再生の実行時間である２０分と同じオーダーである。

そこで本実施例ではＳＯｘ再生とＰＭトラップ再生とを可能な限り同時に実行する。即ち、ＳＯｘ再生が行われている２０分の間に１０分〜１５分のＰＭトラップ再生を実行する。これにより、ＰＭトラップ再生を実行する１０分〜１５分の間に排気の空燃比をリッチ化するための燃料が不要になり、ディーゼルエンジンＥの燃料消費量の節減に寄与することができる。

上記特許文献１に記載されたものは、ＮＯｘ再生とＰＭトラップ再生とを同時に実行することで排気の空燃比をリッチ化するための燃料を節減しているが、ＮＯｘ再生の実行時間は僅かに１０秒〜１５秒であるために燃料の節減効果は小さいものであった。しかしながら本実施例によれば、実行時間が同じオーダーであるＳＯｘ再生とＰＭトラップ再生とを同時に実行して排気の空燃比をリッチ化するための燃料を節減しているので、その燃料の節減効果は従来に比べて大幅に向上する。

ＰＭトラップ１３にトラップされたＰＭが上述したＰＭトラップ再生により燃焼すると発熱するため、その発熱量をコントロールしないとＰＭトラップ１３が過熱して劣化する虞があるが、本実施例では、ＰＭトラップ再生の実行中に温度センサ２１でＰＭトラップ１３の温度を監視し、その温度が所定の閾値を越えた場合に電子制御ユニットＵからの指令でエアバルブ１９を更に開いてＰＭトラップ１３への空気の供給量を増加させるので、その空気でＰＭトラップ１３を冷却して過熱による劣化を防止することができる。

このようなＰＭトラップ１３の過熱は、例えばＰＭトラップ１３の温度が高く、かつ排気流量が多い状態から、停車等の排気流量が少ない状態に変化したときに発生し易い。

上記作用を図２のフローチャートに基づいて更に説明する。

先ずステップＳ１でＮＯｘ濃度センサ２２の出力に基づいて、電子制御ユニットＵのＳＯｘ再生判定手段Ｍ１がＮＯｘトラップ触媒１２のＳＯｘ被毒の程度を検出する。ＮＯｘトラップ触媒１２のＳＯｘ被毒が進行するとＮＯｘの排出量も増加するため、そのＮＯｘの排出量に基づいてＳＯｘ被毒の程度を検出することができる。続くステップＳ２で走行距離算出手段２０の出力に基づいて電子制御ユニットＵのＰＭ堆積再生判定手段Ｍ２がＰＭトラップ再生を行う必要があるか否かを判定する。ＰＭトラップ再生は、車両が３００ｋｍ〜５００ｋｍ走行する毎に行われる。

次に、ステップＳ３でＮＯｘ濃度センサ２２がステップＳ１において検出したＮＯｘトラップ触媒１２のＳＯｘ被毒の程度に基づいて、ＮＯｘトラップ触媒１２のＳＯｘ再生が必要であるか否かを判断する。ステップＳ３でＳＯｘ再生が必要であると判定されると、ステップＳ４でＮＯｘトラップ触媒１２およびＰＭトラップ１３の同時再生を実行する。即ち、ヒータ２４を作動させてＮＯｘトラップ触媒１２の温度を通常時の２５０℃から６５０℃まで高めた後に、排気行程において燃料噴射弁１６から燃料を噴射してＮＯｘトラップ触媒１２にトラップされたＳＯｘを還元して浄化するとともに、エアポンプ１８を駆動し、更にエアバルブ１９を開弁してＰＭトラップ１３に大量の二次空気を供給することで堆積されたＰＭを燃焼させて浄化する。このとき、ステップＳ５でエアバルブ１９によりＰＭトラップ１３に供給される二次空気の量を制御し、ＰＭトラップ１３の入口の酸素濃度が３％となるように（二次空気の流量が排気の流量の１８％となるように）する。

このように、ＳＯｘ再生に伴ってＰＭトラップ１３の温度が自動的に昇温することを利用してＰＭトラップ再生を行うので、ＰＭトラップ再生のためにＰＭトラップ１３を特別に昇温する必要を無くして燃料消費量を節減することができる。

一方、前記ステップＳ３でＳＯｘ再生が必要でないと判定され、ステップＳ６でＰＭトラップ再生が必要であると判定されると、ステップＳ７でＰＭトラップ再生を単独で実行する。この単独で行われるＰＭトラップ再生は、前述したステップＳ４におけるＰＭ同時再生と異なり、空気供給手段１８からＰＭトラップ１３への空気の供給を停止し、吸気流量制御弁２３の開度を絞った状態で、更にヒータ２４によってＰＭを燃焼させることで達成される。このＰＭ単独再生は従来より行われている手法と同じである。

このようにしてＳＯｘ再生と同時にＰＭトラップ再生を行っているとき、ステップＳ８で温度センサ２１により検出したＰＭトラップ１３の温度が所定値（８００℃）を超えると、ステップＳ９でエアバルブ１９の開度を増加させてＰＭトラップ１３の温度を低下させる。そしてステップＳ１０でＰＭトラップ１３の温度が所定値（６００℃）以下になると、ステップＳ１１で通常再生に復帰する。

一方、前記ステップＳ８でＰＭトラップ１３の温度が所定値（８００℃）未満であれば、ステップＳ１２でＰＭトラップ再生を継続し、ステップＳ１３でＰＭトラップ再生から所定時間（２０分）が経過すると、ステップＳ１４でＰＭトラップ再生を終了し、通常運転に復帰する。

以上、本発明の実施例を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、実施例ではＰＭトラップ再生を行う時期を走行距離算出手段２０で算出した車両の走行距離に基づいて決定しているが、ＰＭトラップ１３の上流と下流との圧力差が閾値を越えたとき、つまりＰＭトラップ１３の目詰まりが進行したときにＰＭトラップ再生を実行しても良い。またディーゼルエンジンＥの回転数や負荷を考慮した積算運転時間に基づいてＰＭトラップ再生を実行しても良い。

また実施例では専用のエアポンプ１８を用いてＰＭトラップ１３に空気を供給しているが、ターボチャージャを備えたディーゼルエンジンＥでは、そのコンプレッサから抽出した空気をＰＭトラップ１３に供給しても良い。

またＰＭトラップ１３の単独再生の他の手段として、ＰＭトラップ１３の上流側に酸化触媒を更に設け、排気行程において燃料噴射弁１６から噴射した燃料を酸化触媒内において燃焼させることにより、排気の温度を上昇させてＰＭ堆積を再生しても良い。

ディーゼルエンジンの排気浄化装置の構成を示す図 作用を説明するフローチャート

１１ 排気通路
１２ ＮＯｘトラップ触媒
１３ ＰＭトラップ
１４ 吸気通路
１６ 燃料噴射弁（空燃比リッチ化手段）
１８ エアポンプ（空気供給手段）
２０ 走行距離算出手段（ＰＭ堆積量検出手段）
２１ 温度センサ
２２ ＮＯｘ濃度センサ（ＳＯｘ被毒検出手段）
２４ ヒータ（昇温手段）
Ｅ ディーゼルエンジン
Ｍ１ ＳＯｘ再生判定手段
Ｍ２ ＰＭ堆積再生判定手段

Claims (1)

1. ディーゼルエンジン（Ｅ）の排気通路（１１）に、
   排気の空燃比がリーンのときにＮＯｘをトラップし、排気の空燃比がリッチのときにトラップしたＮＯｘを還元浄化するＮＯｘトラップ触媒（１２）と、
   ＮＯｘトラップ触媒（１２）の下流側に配置されて排気中のＰＭをトラップするＰＭトラップ（１３）と、
   ＮＯｘトラップ触媒（１２）のＳＯｘ被毒を検出するＳＯｘ被毒検出手段（２２）と、 ＳＯｘ被毒検出手段（２２）の検出結果に基づいてＮＯｘトラップ触媒（１２）のＳＯｘ被毒を再生すべきか否かを判定するＳＯｘ再生判定手段（Ｍ１）と、
   ＰＭトラップ（１３）に堆積したＰＭの量を検出するＰＭ堆積量検出手段（２０）と、 ＰＭ堆積量検出手段（２０）の検出結果に基づいてＰＭトラップ（１３）のＰＭ堆積を再生すべきか否かを判定するＰＭ堆積再生判定手段（Ｍ２）と、
   ＮＯｘトラップ触媒（１２）およびＰＭトラップ（１３）間に空気を供給する空気供給手段（１８）と、
   ＮＯｘトラップ触媒（１２）を昇温する昇温手段（２４）と、
   ＰＭトラップ（１３）の温度を検出する温度センサ（２１）とを備える一方、
   ディーゼルエンジンＥの吸気通路（１４）には、ＮＯｘトラップ触媒（１２）に流入する排気の空燃比をリッチ化する空燃比リッチ化手段（１６）を備え、
   ＳＯｘ再生判定手段（Ｍ１）がＳＯｘ被毒を再生すべきと判断したときに、昇温手段（２４）によりＮＯｘトラップ触媒（１２）を昇温し、かつ空燃比リッチ化手段（１６）によりＮＯｘトラップ触媒（１２）に流入する排気の空燃比をリッチ化してＳＯｘ被毒を再生すると同時に、空気供給手段（１８）によりＰＭトラップ（１３）に空気を供給してＰＭ堆積を再生し、
   そのＰＭ堆積の再生中に、温度センサ（２１）の検出した温度が所定の閾値を超えた場合には、ＰＭトラップ（１３）の過熱による劣化を防止するために、空気供給手段（１８）からＰＭトラップ（１３）に供給する空気の量を増加させ、
   ＳＯｘ再生判定手段（Ｍ１）がＳＯｘ被毒を再生すべきと判断せず、かつＰＭ堆積再生判定手段（Ｍ２）がＰＭ堆積を再生すべきと判断したときに、空気供給手段（１８）からＰＭトラップ（１３）への空気の供給を停止してＰＭ堆積を再生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。

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