(57)【要約】【課題】高温による還元剤噴射弁の熱損傷や還元触媒の熱劣化を防止しつつ、フィルタの排気下流側に設けられた還元触媒を速やかに昇温させることができる内燃機関の排気浄化装置を提供する。【解決手段】内燃機関の排気通路に備えられ、排気ガス中の排気微粒子を捕集するパティキュレートフィルタと、排気通路中に還元剤を噴射する還元剤噴射弁と、還元剤を用いて排気ガス中のＮＯXを還元する還元触媒と、が排気上流側から順次に設けられた内燃機関の排気浄化装置において、排気通路は、還元剤噴射弁よりも上流側で分岐し、還元剤噴射弁よりも下流側かつ還元触媒よりも上流側で合流する第１の通路及び第２の通路を備えるとともに、第１の通路に還元剤噴射弁が設けられており、第２の通路に設けられ第２の通路を流れる排気ガスを加熱するための加熱手段と、加熱手段を制御するための制御部と、を備えることを特徴とする。【選択図】図１
2010096005.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に備えられ、排気ガス中の排気微粒子を捕集するパティキュレートフィルタと、前記排気通路中に還元剤を噴射する還元剤噴射弁と、前記還元剤を用いて前記排気ガス中のＮＯXを還元する還元触媒と、が排気上流側から順次に設けられた内燃機関の排気浄化装置において、
前記排気通路は、前記還元剤噴射弁よりも上流側で分岐し、前記還元剤噴射弁よりも下流側かつ前記還元触媒よりも上流側で合流する第１の通路及び第２の通路を備えるとともに、前記第１の通路に前記還元剤噴射弁が設けられており、
前記第２の通路に設けられ前記第２の通路を流れる排気ガスを加熱するための加熱手段と、前記加熱手段を制御するための制御部と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記第１の通路及び前記第２の通路は、前記パティキュレートフィルタよりも下流側かつ前記還元剤噴射弁よりも上流側で分岐することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記第２の通路を流れる排気ガスの流量割合を、前記内燃機関から排出される排気ガスの流量割合を５０％以下とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記加熱手段がバーナであって、前記第２の通路は、前記バーナから放射される火炎を衝突させる火炎衝突部を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記制御部は、前記還元触媒の温度が所定の閾値以上であるか否かを判定する触媒温度判定部と、前記触媒温度判定部による判定結果に基づいて前記加熱手段の制御を行う加熱手段制御部と、を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記加熱手段の作動時において前記加熱手段としての前記バーナの燃焼温度が６００℃以上になるように前記加熱手段の出力を制御することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
前記制御部は、前記内燃機関の運転状態に基づいて前記加熱手段の作動の可否を判定する加熱手段作動判定部を備えることを特徴とする請求項５又は６に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項８】
前記加熱手段が前記バーナである場合に、前記加熱手段作動判定部は、前記バーナの作動時において前記バーナが失火するおそれがあるか否かを判定し、
前記バーナが失火するおそれがあると判定されたときに、前記加熱手段制御部が前記バーナを停止させることを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、特に、パティキュレートフィルタ、還元剤噴射弁及び還元触媒が排気上流側から順次に設けられた内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関から排出される排気ガス中には、排気微粒子（以下、「ＰＭ」と称する。）や窒素酸化物（以下、「ＮＯX」と称する。）が含まれている。そのため、従来、内燃機関の排気通路に、ＰＭを捕集するためのパティキュレートフィルタ（以下、単に「フィルタ」と称する。）と、ＮＯXを還元するための還元触媒とが備えられ、排気ガスの浄化が行われる排気浄化装置が実用化されている。また、この還元触媒の一態様として、還元触媒の上流側で供給される還元剤を用いて、排気ガス中のＮＯXを選択的に還元する還元触媒がある。
【０００３】
ここで、フィルタには、ＰＭの捕集量が増大すると目詰まりを生じるという問題がある。そのため、フィルタが用いられる場合には、捕集されたＰＭを燃焼してフィルタを再生させる再生制御が行われる。フィルタの再生制御方法としては、例えば、フィルタの排気上流側に酸化触媒を設け、内燃機関の運転状態を制御する等の方法により酸化触媒に未燃燃料（ＨＣ）を供給して酸化反応を生じさせ、この酸化反応によって生じる排気熱を利用してフィルタに捕集されたＰＭを燃焼させる方法が知られている。また、これ以外にも、バーナや電熱線等の加熱手段をフィルタの上流側に設け、再生制御を行う際に加熱手段を作動させてフィルタの再生を行う方法もある。
【０００４】
フィルタの上流側に酸化触媒を設け、内燃機関の運転状態を制御して排気ガスに未燃燃料を含ませて酸化触媒に供給する再生制御を行う場合、この再生制御には相当程度の排気ガスの温度が必要となる。そのため、フィルタ、還元触媒及び還元剤噴射弁を備えた排気浄化装置において、フィルタが、還元剤噴射弁や還元触媒よりも排気上流側に設けられる場合がある。また、還元触媒がフィルタよりも上流側に設けられると、還元触媒にＰＭが付着するおそれがあることからも、図１０に示すように、フィルタ３００が、還元剤噴射弁３０１や還元触媒３０２よりも排気上流側に設けられる場合がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
一方、還元触媒は、その温度が活性温度未満であるとＮＯXの還元効率が著しく低下するという性質を有しており、還元触媒の温度が低い場合には、ＮＯXの還元が効率的に進行せず、未浄化の排気ガスが大気中に放出されるおそれが生じる。そのため、例えば内燃機関の冷間始動時等、還元触媒の温度が活性温度に達しないような運転条件下においては、必要に応じて還元触媒の昇温制御が行われる。
【０００６】
還元触媒の昇温制御方法についても、還元触媒の排気上流側に設けた酸化触媒による酸化熱を利用する方法や、加熱手段を利用する方法が提案されている。例えば、フィルタを備えていない例ではあるが、図１１に示すように、ヒータ３０３等の加熱手段と、還元剤噴射弁３０４と、還元触媒３０５とを排気上流側から順次に備えた排気浄化装置が開示されている（例えば、特許文献２）。
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−１３８５８３号公報  （図１）
【特許文献２】特開２００５−２５６７２７号公報  （図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、特許文献１に記載の排気浄化装置のように、フィルタが還元触媒の上流側に設けられている排気浄化装置においては、内燃機関から排出された排気ガスが、還元触媒に到達する前にフィルタを通過する構成となっている。このような排気浄化装置では、フィルタの上流側に酸化触媒や加熱手段を設け、フィルタの再生制御と同じ方法によって排気ガスを昇温させて還元触媒の昇温制御を試みたとしても、フィルタの熱容量が比較的大きく、フィルタに熱を奪われやすいために、還元触媒の昇温活性化に時間がかかるおそれがある。特に、還元触媒も熱容量が比較的大きく、還元触媒が昇温活性化するために比較的多くの熱量が必要であることも相俟って、還元触媒の昇温活性化に時間がかかってしまう。その結果、排気ガス中のＮＯXの還元が効率的に行われるまでに時間を要し、その間、未浄化の排気ガスが大気中に放出されてしまうことになる。
【０００９】
一方、フィルタが還元触媒の上流側に設けられている排気浄化装置において、還元触媒を効率的に昇温させるためには、特許文献２に記載されたように還元触媒の上流側にバーナ等の加熱手段を設けることが有効と考えられるが、還元剤噴射弁は高温に弱く、加熱手段を還元剤噴射弁の上流側に設けた場合、加熱手段によって還元剤噴射弁の熱損傷を生じるおそれがある。また、加熱手段を還元剤噴射弁よりも下流側かつ還元触媒よりも上流側に設けた場合、還元剤噴射弁と還元触媒とは極端に離されて設けられることがないことからも、還元触媒が直接加熱手段に晒され、還元触媒の熱劣化を生じるおそれがある。
【００１０】
そこで、本発明の発明者は以上の問題を鋭意検討した結果、還元剤噴射弁よりも上流側で分岐し、還元剤噴射弁よりも下流側かつ還元触媒よりも上流側で合流する第１の通路及び第２の通路を設け、一方の第１の通路に還元剤噴射弁を備えるとともに他方の第２の通路に加熱手段を備えることにより、このような問題を解決できることを見出し、本発明を完成させたものである。すなわち、本発明は、高温による還元剤噴射弁の熱損傷や還元触媒の熱劣化を防止しつつ、フィルタの排気下流側に設けられた還元触媒を速やかに昇温させることができる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、内燃機関の排気通路に備えられ、排気ガス中の排気微粒子を捕集するパティキュレートフィルタと、排気通路中に還元剤を噴射する還元剤噴射弁と、還元剤を用いて排気ガス中のＮＯXを還元する還元触媒と、が排気上流側から順次に設けられた内燃機関の排気浄化装置において、排気通路は、還元剤噴射弁よりも上流側で分岐し、還元剤噴射弁よりも下流側かつ還元触媒よりも上流側で合流する第１の通路及び第２の通路を備えるとともに、第１の通路に還元剤噴射弁が設けられており、第２の通路に設けられ第２の通路を流れる排気ガスを加熱するための加熱手段と、加熱手段を制御するための制御部と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置が提供され、上述した問題を解決することができる。
【００１２】
また、本発明の内燃機関の排気浄化装置を構成するにあたり、第１の通路及び第２の通路は、パティキュレートフィルタよりも下流側かつ還元剤噴射弁よりも上流側で分岐することが好ましい。
【００１３】
また、本発明の内燃機関の排気浄化装置を構成するにあたり、内燃機関から排出される排気ガスの流量全体に対して、第２の通路を流れる排気ガスの流量割合を５０％以下とすることが好ましい。
【００１４】
また、本発明の内燃機関の排気浄化装置を構成するにあたり、加熱手段がバーナであって、第２の通路は、バーナから放射される火炎を衝突させる火炎衝突部を備えることが好ましい。
【００１５】
また、本発明の内燃機関の排気浄化装置を構成するにあたり、制御部は、還元触媒の温度が所定の閾値以上であるか否かを判定する触媒温度判定部と、触媒温度判定部による判定結果に基づいて加熱手段の制御を行う加熱手段制御部と、を備えることが好ましい。
【００１６】
また、本発明の内燃機関の排気浄化装置を構成するにあたり、制御部は、加熱手段の作動時において加熱手段としてのバーナの燃焼温度が６００℃以上になるように加熱手段の出力を制御することが好ましい。
【００１７】
また、本発明の内燃機関の排気浄化装置を構成するにあたり、制御部は、内燃機関の運転状態に基づいて加熱手段の作動の可否を判定する加熱手段作動判定部を備えることが好ましい。
【００１８】
また、本発明の内燃機関の排気浄化装置を構成するにあたり、加熱手段がバーナである場合に、加熱手段作動判定部は、バーナの作動時においてバーナが失火するおそれがあるか否かを判定し、バーナが失火するおそれがあると判定されたときに、加熱手段制御部がバーナを停止させることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、還元剤噴射弁よりも上流側で分岐し、還元剤噴射弁よりも下流側かつ還元触媒よりも上流側で合流する第１の通路及び第２の通路に排気通路が分岐し、還元剤噴射弁が設けられた第１の通路とは異なる第２の通路に、排気ガスを加熱するための加熱手段が備えられている。したがって、加熱手段によって高温にされた排気ガスの熱量がフィルタに奪われることなく、高温の排気ガスが効率よく還元触媒に流入し、還元触媒が速やかに昇温させられる。
また、還元剤噴射弁が設けられた第１の通路とは異なる第２の通路に、排気ガスを加熱するための加熱手段が備えられているために、還元剤噴射弁が高温の排気ガスに晒されることがなく、また、還元触媒が加熱手段に直接晒されることがない。したがって、還元剤噴射弁の熱損傷や還元触媒の熱劣化が防止される。
【００２０】
また、本発明の内燃機関の排気浄化装置において、第１の通路及び第２の通路がフィルタの下流側かつ還元剤噴射弁の上流側で分岐することにより、すべての排気ガスがフィルタを通過させられるため、ＰＭが還元触媒に付着したり大気中に放出されたりすることがない。
【００２１】
また、本発明の内燃機関の排気浄化装置において、第２の通路を流れる排気ガスの流量割合が５０％以下であることにより、第１の通路に設けられた還元剤噴射弁から噴射される還元剤の分裂、蒸発効果を著しく低下させるおそれがなく、また、加熱手段の作動時に、著しく高温の排気ガスが還元触媒に流入することが防止される。
【００２２】
また、本発明の内燃機関の排気浄化装置において、加熱手段がバーナである場合に、第２の通路が火炎衝突部を備えることにより、還元触媒がバーナから放射された火炎に直接晒されることが防止される。
【００２３】
また、本発明の内燃機関の排気浄化装置において、制御部が、触媒温度判定部と加熱手段制御部とを備えることにより、還元触媒の昇温の必要性に応じて排気ガスを加熱することができる。したがって、還元剤噴射弁の熱損傷や還元触媒の熱劣化が防止されつつ、還元触媒の速やかな昇温が効率的に行われる。
【００２４】
また、本発明の内燃機関の排気浄化装置において、制御部が、燃焼温度が６００℃以上になるようにバーナの出力を制御することにより、バーナから未燃のままの燃料が噴射されることが防止される。したがって、還元触媒への未燃燃料の付着や、大気中への未燃燃料の放出が防止される。
【００２５】
また、本発明の内燃機関の排気浄化装置において、制御部が、所定の加熱手段作動判定部を備えることにより、還元触媒の温度が閾値未満の場合であっても、還元触媒の昇温が不要な時期や加熱手段の作動の安定性が確保されにくい状況での加熱手段の作動が抑えられる。
【００２６】
また、本発明の内燃機関の排気浄化装置において、加熱手段がバーナである場合に、加熱手段作動判定部がバーナが失火するおそれがあると判定したときに、加熱手段制御部がバーナを停止することにより、バーナの作動時において失火の発生が防止される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の内燃機関の排気浄化装置に関する実施の形態について、適宜図面を参照しながら具体的に説明する。ただし、この実施の形態は本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の範囲内で任意に変更することが可能である。
なお、それぞれの図中、同じ符号を付してあるものについては同一の部材を示しており、適宜説明が省略されている。
【００２８】
［第１の実施の形態］
１．内燃機関の排気浄化装置の全体的構成
図１は、本発明の第１の実施の形態にかかる内燃機関の排気浄化装置（以下、単に「排気浄化装置」と称する。）１０の全体構成を示している。
この排気浄化装置１０は、内燃機関１１に接続された排気通路１２を備えている。この排気通路１２は、上流側排気通路１２ａと下流側排気通路１２ｂとを含むとともに、上流側排気通路１２ａと下流側排気通路１２ｂとの間は、分岐する第１の通路１３及び第２の通路１４を備えた排気ガス調整部５０で接続されている。上流側排気通路１２ａと排気ガス調整部５０、及び下流側排気通路１２ｂと排気ガス調整部５０は、それぞれ、端部に設けられた取付フランジ１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄによって互いに連結されている。
【００２９】
上流側排気通路１２ａには上流側から酸化触媒１９及びフィルタ２０が設けられている。また、下流側排気通路１２ｂには還元触媒２１が設けられるとともに、還元触媒２１の上流側及び下流側にそれぞれ温度センサ２４、２５が取付けられている。さらに、排気ガス調整部５０のうち、第１の通路１３には還元剤噴射弁２７が設けられ、第２の通路１４には加熱手段としてのバーナ７０が設けられている。この排気浄化装置１０には、還元剤噴射弁２７やバーナ７０の制御を行う制御部３０が備えられている。
【００３０】
上流側排気通路１２ａに設けられたフィルタ２０は、排気ガス中のＰＭを捕集するためのものであり、例えば、セラミック材料から構成されたハニカム構造のフィルタをはじめとする公知のフィルタが用いられる。
また、フィルタ２０の排気上流側に設けられた酸化触媒１９は、主として、フィルタ２０の再生制御に用いられ、内燃機関１１の運転状態の制御によって排気ガスに含まれた未燃燃料を酸化して、この酸化熱によって、フィルタ２０に捕集されたＰＭを燃焼させる。酸化触媒１９は、例えば、アルミナに白金を担持させたものに所定量のセリウム等の希土類元素を添加したものをはじめとして、公知の酸化触媒が用いられる。
【００３１】
下流側排気通路１２ｂに設けられた還元触媒２１は、還元剤噴射弁２７から供給された還元剤を用いて排気ガス中のＮＯXを還元するものである。還元触媒２１としては、例えば、多孔質担体上に、活性成分としてのストロンチウム又はバリウム、及びマグネシウム等のアルカリ土類金属や、セリウムとランタン等の希土類金属、白金とロジウム等の貴金属等を含むものをはじめとして、公知の還元触媒が用いられる。この還元触媒２１は、触媒温度が活性温度未満であるとＮＯXの還元効率が低下する特性を有している。
【００３２】
２．排気ガス調整部
（１）排気ガス調整部の全体的構成
図２（ａ）〜（ｂ）、図３及び図４は、本実施形態の排気浄化装置における、排気ガス調整部５０の構成を詳細に示している。図２（ｂ）は、図２（ａ）の排気ガス調整部５０を矢印Ｘ方向に見た図である。また、図３は図２（ａ）のＺＺ断面図であり、図４は図２（ｂ）のＹＹ断面図である。
この排気ガス調整部５０は、上流側排気通路１２ａと連通する排気ガス導入室５１と、排気ガス導入室５１の一部に設けられた第１の開口部５１ａに連通させて接続されたＬ字管５６と、排気ガス導入室５１の一部に設けられた第２の開口部５１ｂに連通させて接続されたバーナカバー５２と、Ｌ字管５６及びバーナカバー５２と接続される合流管５７とを備えている。
【００３３】
合流管５７の外周のうち、Ｌ字管５６内に配置される部分及びバーナカバー５２内に配置される部分には、それぞれ複数の排気ガス導入孔５７ａ、５７ｂが設けられている（図４を参照）。したがって、排気ガス導入室５１に流入した排気ガスのうち、第１の開口部５１ａからＬ字管５６側を流れる排気ガスは、複数の排気ガス導入孔５７ａから合流管５７内に流入し、下流側排気通路１２ｂに導かれる。本実施形態の排気浄化装置では、Ｌ字管５６及び合流管５７によって第１の通路１３が構成されている。一方、排気ガス導入室５１に流入した排気ガスのうち、第２の開口部５１ｂからバーナカバー５２側を流れる排気ガスは、複数の排気ガス導入孔５７ｂから合流管５７内に流入する。本実施形態の排気ガス浄化装置では、バーナカバー５２によって第２の通路１４が構成されている。
【００３４】
（２）第１の通路の構成
第１の通路１３を構成する合流管５７における、下流側排気通路１２ｂ側の端部とは反対側の端部に還元剤噴射弁２７が固定されている。排気ガス調整部５０の第１の通路１３に設けられた還元剤噴射弁２７は、還元触媒の上流側で排気ガス中に還元剤を供給するためのものであり、例えば、通電制御により弁の開閉がＯＮ−ＯＦＦで制御されるＯＮ−ＯＦＦ弁が用いられる。この還元剤噴射弁２７は、精密な開弁動作を達成するための電磁制御部分や樹脂部分を含んで構成される。
【００３５】
還元剤噴射弁２７によって噴射される還元剤は、例えば、尿素水溶液が用いられる。尿素水溶液が還元剤として用いられる場合、排気ガス中に供給された尿素水溶液が排気熱によって分解され、アンモニアが生成される。そして、アンモニアと排気ガス中のＮＯXとが還元触媒中で還元反応を生じ、ＮＯXが窒素（Ｎ2）と水（Ｈ2Ｏ）とに浄化される。使用できる還元剤はアンモニアが生成されるものに限られず、還元触媒の種類に応じて未燃燃料（ＨＣ）等が用いられる場合がある。
【００３６】
本実施形態の排気浄化装置では、還元剤噴射弁２７は、還元剤噴射弁２７から噴射される還元剤の噴射形状の中心軸と合流管５７の軸心とが一致するように配置されており、還元剤噴射弁２７は合流管５７の軸方向に向けて還元剤を噴射する。還元剤噴射弁２７がこのように配置されているために、第１の通路１３を流れる排気ガスの流れ方向に沿って還元剤を噴射することができ、還元剤を排気ガス中に均一に分布させることができるとともに、還元剤噴射弁２７の放熱性が効率化されている。ただし、還元剤噴射弁２７の配置位置は合流管５７の端部に限定されるものではない。
【００３７】
また、本実施形態の排気浄化装置では、第１の通路１３の終端部である下方側排気通路１２ｂとの接続部分に、排気ガスと還元剤との混合、拡散を促進させるためのミキサ１８が設けられている。ミキサ１８の形態は特に制限されるものではなく、種々のミキサが用いられる。また、ミキサ１８を設ける位置は、還元剤噴射弁２７よりも下流側かつ還元触媒よりも上流側であれば特に制限されるものではない。例えば、Ｌ字管５６及び合流管５７の接続部分と、バーナカバー５２及び合流管５７の接続部分との間にミキサを設けてもよい。
【００３８】
ただし、本実施形態の排気浄化装置に用いられる排気ガス調整部５０のようにバーナカバー５２及び合流管５７の接続部分よりも下流側にミキサ１８を設けた場合には、還元触媒の昇温時において、還元剤のみならず、第２の通路１４を通ってきた高温の排気ガスが持つ熱量をも拡散させることができる。さらに、この位置にミキサ１８を設けた場合には、ミキサ１８に還元剤の結晶が生じたとしても、高温の排気ガスが持つ熱量によって、結晶化した還元剤を溶解させることができる。
【００３９】
（３）第２の通路の構成
（３）−１  加熱手段
排気ガス調整部５０の第２の通路１４に設けられる加熱手段としては、電熱線やバーナ等が用いられるが、本実施形態の排気浄化装置では、バーナ７０が用いられている。本実施形態の排気浄化装置に備えられたバーナ７０は、図３に示すように、ノズル７１の軸方向孔７１ａ内に、燃料を加熱するためのグロープラグ７２が配置され、このグロープラグ７２の先端側の加熱部７３とノズル７１との間隙に燃料及び空気を供給するエアアシスト式のバーナ７０である。燃料の着火手段としてグロープラグ７２が用いられることで、燃料温度が上昇させられて燃料の粘性が低下し、当該燃料の微粒化や燃料着火の促進が図られる。
【００４０】
また、本実施形態の排気浄化装置では、バーナ７０に空気を供給する手段として、低出力のピストンポンプ（図示せず。）が用いられている。低出力のピストンポンプであれば、バーナ７０が着火しない間にピストンポンプが駆動しても排気温度を低下させるおそれがない。また、エアアシスト式のバーナ７０であれば、バーナ７０の停止時に空気を供給してノズル７１と加熱部７３との間の間隙に生じたコンタミの除去や、当該間隙の洗浄が容易になる。ただし、使用できる加熱手段は上述した例に制限されない。
【００４１】
また、バーナ７０は、還元触媒の上流側の温度センサ（図１の２４）や、あるいはバーナカバー５２又は第１の通路１３に設けられた図示しない温度センサで検出される排気ガス温度の値に基づいて推定されるバーナ７０の燃焼温度が６００℃以上となるように燃料が供給される。推定される燃焼温度が６００℃以上になっている状態においては、火炎に混じって大量の未燃燃料が排出されることがないため、還元触媒への未燃燃料の付着や、未燃燃料の大気中への放出が防止される。
【００４２】
（３）−２  バーナカバー
バーナ７０は、ノズル７１の先端部がバーナカバー５２内に臨むようにバーナカバー５２に取付けられている。図３及び図４に示すように、バーナカバー５２の内部は、排気ガス導入室５１側に設けられた第１の小室５２ａと、バーナ７０から放射される火炎が導かれる第２の小室５２ｂと、第２の小室５２ｂと連通する大室５２ｃと、大室５２ｃと連通して排気ガスを第１の通路１３の一部である合流管５７との接続部分に導く連通室５２ｄとに区画されており、バーナカバー５２は、排気ガスの流入方向と流出方向とを９０度に屈曲させている。
【００４３】
バーナカバー７０内の大室５２ｃには円筒燃焼管５３が配設されており、この円筒燃焼管５３の外周面には排気ガス導入通路５４が設けられ、排気ガス導入通路５４の端部５４ａは排気ガス導入室５１側に設けられた第１の小室５２ａに臨んでいる。また、円筒燃焼管５３の排気ガス導入通路５４は、円筒燃焼管５３の中心軸からオフセットされており、排気ガス導入通路５４を介して円筒燃焼管５３内に流れ込む排気ガスによって、円筒燃焼管５３内にスワール流が形成される。そのため、バーナ７０によって放射された火炎の熱量と排気ガスとの混合性や燃焼性の促進が図られる。
【００４４】
また、円筒燃焼管５３の一端は、バーナ７０を包囲するようにバーナカバー５２の側壁に固定されるとともに、円筒燃焼管５３の他端は第２の小室５２ｂに臨んでいる。このように、円筒燃焼管５３の軸方向は、バーナカバー５２への排気ガスの流入方向と９０度をなし、また、バーナカバー５２からの排気ガスの流出方向とも９０度をなしている。
【００４５】
第２の通路１４がこのように構成された排気ガス調整部５０では、第１の小室５２ａから円筒燃焼管５３内に導入された排気ガスは、スワール流を形成しながら第２の小室５２ｂに向かって進行する。円筒燃焼管５３内でバーナ７０によって加熱された排気ガスは、第２の小室５２ｂに導かれると火炎衝突部５５としてのバーナカバー５２の側壁に衝突した後、大室５２ｃに流れ込み、さらに連通室５２ｄを流れて第１の通路１３との合流部分１７に導かれる。
【００４６】
バーナカバー５２が上述のように構成され、バーナ７０から還元触媒までの排気通路が直線的ではない構成となっているため、バーナ７０を用いて排気ガスが加熱される場合において、バーナ７０から放射される火炎が長く延びた場合であっても火炎衝突部５５に衝突するため、還元触媒が火炎に直接晒されることが防止される。したがって、還元触媒の熱劣化が防止される。
【００４７】
（４）合流部分の構成
また、図４に示すように、排気ガス調整部５０の第１の通路１３及び第２の通路１４の合流部分１７において、第１の通路１３を構成する合流管５７の外周面には複数の排気ガス導入孔５７ｂが設けられ、さらにその外側を被覆するように第２の通路１４を構成するバーナカバー５２が接続されている。第１の通路１３及び第２の通路１４の合流部分１７がこのように構成されていることにより、第１の通路１３内を流れる排気ガスに対して、第２の通路１４を流れる高温の排気ガスが３６０度周囲方向から流入する。そのため、第１の通路１３内を流れる排気ガスに対して第２の通路１４から流れてくる高温の排気ガスが十分に混合され、還元触媒の入口面全体に対して還元剤及び排気ガスの熱量がムラなく均一に流入する。
【００４８】
なお、本実施形態の排気浄化装置は、フィルタの下流側で第１の通路１３と第２の通路１４とが分岐しているが、分岐部分はフィルタの上流側であってもよい。ただし、フィルタの下流側で第１の通路１３と第２の通路１４とを分岐させれば、排気ガスの一部を第２の通路１４に流してバーナ７０によって加熱する期間中にも全量の排気ガスがフィルタを通過する。そのため、排気微粒子が第２の通路１４内のバーナ７０や、還元触媒に付着したり、大気中に放出されたりすることが防止される。
【００４９】
３．制御部
次に、本実施形態の排気浄化装置に備えられた制御部３０について、図５を用いて説明する。図５は、制御部３０のうち、バーナ７０の動作制御に関する部分について機能的なブロックに表された構成例を示している。
【００５０】
この制御部３０は、還元触媒の温度を演算する触媒温度演算部（図５では「触媒温度演算」と表記。）と、還元触媒の温度が所定の閾値以上であるか否かを判定する触媒温度判定部（図５では「触媒温度判定」と表記。）と、内燃機関の運転状態に基づいてバーナ７０の作動の可否を判定するバーナ作動判定部（図５では「バーナ作動判定」と表記。）と、触媒温度判定部及びバーナ作動判定部の判定結果に基づいてバーナ７０の出力を制御するバーナ制御部（図５では「バーナ制御」と表記。）等を主要な要素として構成されている。これらの各部は、具体的にはマイクロコンピュータ（図示せず）によるプログラムの実行によって実現される。
【００５１】
触媒温度演算部は、還元触媒の上流側の温度センサ２４のセンサ値Tgu及び還元触媒の下流側の温度センサ２５のセンサ値Tglに基づいて還元触媒の温度Tcatを演算により推定する部分である。算出された還元触媒の温度は触媒温度判定部に出力される。ただし、還元触媒の温度Tcatの推定方法は上述した例に限られない。
【００５２】
触媒温度判定部は、還元触媒の温度が所定の閾値以上であるか否かの判定を行い、還元触媒が活性化状態にあるか否かを推定する部分である。本実施形態の排気浄化装置において、触媒温度判定部は、触媒温度演算部で算出した還元触媒の温度Tcatが活性温度Tact未満であるか否かの判定を行う。還元触媒の活性温度Tactは一般的に２００〜２５０℃程度の値であるため、閾値の値は、例えば、使用される還元触媒の特性により２００〜２５０℃の範囲内で選択され設定される。
【００５３】
バーナ作動判定部は、内燃機関の運転状態に基づいてバーナ７０の作動の可否を判定する部分である。還元触媒が活性化状態にないとしてもバーナ７０を作動させたくない場合があるために、バーナ作動判定部がバーナ７０の作動の可否を判定する。本実施形態の排気浄化装置において、バーナ作動判定部は、内燃機関の回転数Neや内燃機関への燃料噴射量Q等を検出するとともに、当該回転数Neや燃料噴射量Q等を考慮して内燃機関の運転状態を推定し、バーナ７０の作動の可否の判定を行う。
【００５４】
例えば、車両が下り坂を走行中でエンジンブレーキを使用している場合等、内燃機関から排出されるＮＯX流量が少ない運転状態の場合には還元触媒を昇温させる必要がないため、バーナ作動判定部はバーナ７０の作動を待機するよう指示する。また、内燃機関の回転数Neの急増によって排気ガスの流量や流速が増加する場合にはバーナ７０の失火のおそれがあるため、バーナ作動判定部はバーナ７０の作動を待機するよう指示する。
なお、バーナ７０の失火防止を防ぐ観点では、上流側排気通路や第２の通路等に排気流量センサや排気流速センサを取り付け、これらのセンサ値に基づいて、バーナ７０の失火のおそれがあるか否かを判定するようにバーナ作動判定部を構成することもできる。また、バーナ７０の排気下流側に温度センサを配置し、当該温度センサのセンサ値に基づいてバーナ７０から火炎が放射されているか否かを直接的に判別してもよい。
【００５５】
バーナ制御部は、基本的には触媒温度判定部の判定結果に基づき、還元触媒の昇温が必要な場合に、バーナ７０の駆動信号を出力する部分である。また、本実施形態の排気浄化装置において、バーナ制御部は、バーナ７０によって高温に加熱した排気ガスの温度を検出し、検出される排気ガスの温度が６００℃以上になるようにバーナ７０への燃料供給量の制御を行う。ただし、バーナ作動判定部からバーナの作動を待機する指示が出力されている場合には、バーナ制御部は、還元触媒の温度にかかわらずバーナ７０の作動を待機させる。
【００５６】
４．排気浄化装置の制御方法
次に、図１に示す排気浄化装置１０の制御方法のルーチンの一例について、図６及び図７のフロー図に基づき具体的に説明する。このルーチンは、内燃機関１１の始動中において常時実行される。
【００５７】
まず、スタート後のステップＳ１１で、還元触媒２１の温度Tcatを算出した後、ステップＳ１２に進み、還元触媒２１の温度Tcatが、活性温度Tact未満となっているか否かの判定を行う。還元触媒２１の温度Tcatが活性温度Tact未満である場合にはステップＳ１３に進む一方、還元触媒２１の温度Tcatが活性温度Tact以上である場合にはステップＳ１８に進む。
【００５８】
還元触媒２１の温度Tcatが活性温度Tact未満と判定されると、ステップＳ１３で内燃機関１１の回転数Neや燃料噴射量Q等を読み込み、ステップＳ１４で当該回転数Neや燃料噴射量Q等に基づいて内燃機関１１の運転状態を推定した後、ステップＳ１５でバーナ７０を作動するか否かを判定する。
ステップＳ１５でバーナ７０を作動すると判定した場合には、ステップＳ１６に進みバーナ７０が現在作動中であるか否かを判定する。このステップＳ１６でバーナ７０が作動中でないと判定された場合は、ステップＳ１７でバーナ７０を作動し、排気ガスの加熱を開始して本ルーチンを終了する。その後、再びステップＳ１１に戻り、還元触媒２１の温度Tcatの算出を行う。一方、ステップＳ１６でバーナ７０がすでに作動中であると判定された場合は、ステップＳ１７に進まずに本ルーチンを終了して、ステップＳ１１に戻る。
【００５９】
上記ステップＳ１５でバーナ７０を作動しないと判断した場合には、ステップＳ１８に進みバーナ７０が現在作動中であるか否かを判定する。このステップＳ１８でバーナ７０がすでに作動中であると判定された場合は、ステップＳ１９に進みバーナの運転を停止して本ルーチンを終了した後、ステップＳ１１に戻る。一方、ステップＳ１８でバーナ７０が作動中でないと判定された場合は、そのまま本ルーチンを終了してステップＳ１１に戻る。
なお、上記のステップＳ１２で、還元触媒２１の温度Tcatが活性温度Tact以上であると判定された場合には、直接ステップＳ１８に進み、上述のステップＳ１８〜Ｓ１９を経て本ルーチンを終了してからステップＳ１１に戻ることになる。
【００６０】
このように、ステップＳ１２において、還元触媒２１の温度Tcatが活性温度Tact以上であると判定されるまでは、ステップＳ１３〜ステップＳ１９においてバーナ７０を作動させる必要があるか否か及びバーナ７０の失火のおそれがあるか否かを考慮しながら排気ガスを加熱し、その排気熱によって還元触媒２１の昇温を行う。
そして、ステップＳ１２において還元触媒２１の温度Tcatが活性温度Tact以上と判定された場合に、ステップＳ１８〜Ｓ１９において、バーナ７０を作動していた場合は当該バーナ７０を停止して本ルーチンを終了する。
【００６１】
また、図７は、内燃機関１１が停止した場合の制御フローの一例を示している。
内燃機関１１の停止信号が入力された場合には、まずステップＳ２０で、バーナ７０が作動中であるか否かを判定する。バーナ７０が作動中であると判定された場合はステップＳ２１に進みバーナの運転を停止して、本ルーチンを終了する。また、ステップＳ２０でバーナ７０が作動中でないと判定された場合には、そのまま本ルーチンを終了する。
【００６２】
以上、本実施形態の排気浄化装置１０は、還元触媒２１の昇温が必要である場合に、第２の通路に設けられたバーナ７０によって排気ガスが加熱されるため、還元剤噴射弁の熱損傷や還元触媒の熱劣化が防止されつつ還元触媒２１が速やかに昇温活性化され、排気ガス中のＮＯXの還元が早期に開始される。また、本実施形態の排気浄化装置１０は、内燃機関１１から排出される排気ガスの全量に対する、第２の通路１４側を流れる排気ガスの流量の割合が５０％以下になるように構成され、第１の通路１３側に流れる排気ガスの流量が過度に少なくなることがないため、第１の通路１３に設けられた還元剤噴射弁２７によって噴射される還元剤の分裂、蒸発の効果が著しく低下することがない。
また、本実施形態の排気浄化装置１０は、バーナ７０の作動時において、内燃機関１１の運転状態に基づいてバーナ７０の失火のおそれがあると判断される場合は、バーナ７０を停止することで、バーナ７０の失火が回避される。
【００６３】
［第２の実施の形態］
本発明の第２の実施の形態にかかる排気浄化装置は、排気ガス調整部の構成が第１の実施の形態と異なる他は、第１の実施の形態と同様の構成となっている。以下、排気ガス調整部の構成を中心に本実施形態の排気浄化装置について説明する。
【００６４】
図８（ａ）〜（ｂ）及び図９（ａ）〜（ｂ）は、本実施形態の排気浄化装置に備えられる排気ガス調整部１００の構成を示している。図８（ｂ）は、図８（ａ）の排気ガス調整部１００を矢印Ｐ方向に見た図であり、図９（ａ）は、図８（ｂ）のＱＱ断面図であり、図９（ｂ）は、図８（ａ）のＲＲ断面図である。
この排気ガス調整部１００は、排気ガス導入口１０１ａが設けられたケーシング１０１を備えている。ケーシング１０１内にはバーナカバー１０２及び合流管１０３が収容されている。
【００６５】
バーナカバー１０２とケーシング１０１との間には間隙１０５が形成され、バーナカバー１０２内に流入しない排気ガスがこの間隙１０５を流れ、合流管１０３まで導かれる。合流管１０３の外周のうち、この間隙１０５内に配置される部分には複数の排気ガス導入孔１０３ａが設けられている。したがって、バーナカバー１０２とケーシング１０１との間の間隙１０５を流れ合流管１０３まで導かれた排気ガスは、複数の排気ガス導入孔１０３ａから合流管１０３内に流入し、下流側排気通路１２ｂに導かれる。本実施形態の排気浄化装置では、これらの間隙１０５及び合流管１０３によって第１の通路１１３が構成されている。
【００６６】
また、第１の通路１１３を構成する合流管１０３における、下流側排気通路１２ｂ側の端部とは反対側の端部に還元剤噴射弁２７が固定されている。還元剤噴射弁２７から噴射される還元剤の噴射形状の中心軸と合流管１０３の軸心とが一致しており、還元剤噴射弁２７は合流管１０３の軸方向に向けて還元剤を噴射する。また、本実施形態の排気浄化装置に用いられる排気ガス調整部１００では、第１の実施の形態の排気浄化装置に用いられる排気ガス調整部と同様、第１の通路１１３の終端部である下方側排気通路１２ｂとの接続部分にミキサ１８が配置されている。
【００６７】
また、バーナカバー１０２の内部は、ケーシング１０１の排気ガス導入口１０１ａ側に設けられた第１の小室１０２ａと、バーナ７０から放射される火炎が導かれる第２の小室１０２ｂと、第２の小室１０２ｂと連通するとともに円筒燃焼管５３が配置された大室１０２ｃと、大室１０２ｃと連通して排気ガスを第１の通路１１３との合流部分１１７に導く連通室１０２ｄとに区画されており、バーナカバー１０２は排気ガスの流入方向と流出方向とを９０度に屈曲させている。本実施形態の排気浄化装置では、これらの第１の小室１０２ａ、第２の小室１０２ｂ、大室１０２ｃ及び連通室１０２ｄによって第２の通路１１４が構成されている。
【００６８】
バーナカバー１０２の大室１０２ｃには、第１の実施の形態の排気ガス調整部と同様に、端部５４ａが第１の小室１０２ａに臨む排気ガス導入通路５４が設けられた円筒燃焼管５３が配設されており、円筒燃焼管５３の一端はバーナ７０を包囲するようにバーナカバー１０２の側壁に固定され、他端は第２の小室１０２ｂに臨んでいる。
【００６９】
本実施形態の排気浄化装置に用いられる排気ガス調整部１００では、バーナ７０は、ノズル７１の先端部がバーナカバー１０２の大室１０２ｃに臨むように、ケーシング１０１に取付けられている。このバーナ７０から放射される火炎が長く延びた場合であっても火炎衝突部５５に衝突するため、還元触媒が火炎に直接晒されることがなく、還元触媒の熱劣化が防止される。
【００７０】
また、第１の通路１１３を構成する合流管１０３の外周における、バーナカバー１０２の連通室１０２ｄ内に配置される部分にも複数の排気ガス導入孔１０３ｂが設けられている。したがって、第２の通路１１４を流れる排気ガスは、連通室１０２ｄ内に配置された合流管１０３の外周の複数の排気ガス導入孔１０３ｂを介して合流管１０３に流入し、第１の通路１１３内を流れる排気ガスと混合される。
【００７１】
このように、本実施形態の排気浄化装置に用いられる排気ガス調整部１００は、還元触媒の昇温が必要な場合に排気ガスが加熱される第２の通路１１４が、第１の通路１１３の内側に設けられた二重管構造となっている。したがって、バーナ７０によって加熱される高温の排気ガスが通過する第２の通路１１４が外部に露出することがなく、排気ガス調整部１００の表面温度が比較的低く保たれる。その結果、排気浄化装置の外側への熱の影響が低減され、安全性がより向上する。
さらに、本実施形態の排気浄化装置に用いられる排気ガス調整部１００は、バーナ７０によって加熱される高温の排気ガスが流れる第２の通路１１４が第１の通路１１３によって包囲されているために、第２の通路１１４を流れる排気ガスの熱損失が軽減される。したがって、バーナ７０による排気ガスの加熱効率の向上が図られ、バーナ７０作動時の燃料消費量が削減される。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の第１の実施の形態にかかる内燃機関の排気浄化装置の全体構成を示す概略図である。
【図２】第１の実施の形態の排気浄化装置に備えられる排気ガス調整部の構成を説明するための外観図である。
【図３】第１の実施の形態の排気浄化装置に備えられる排気ガス調整部の内部構成を説明するための断面図である。
【図４】第１の実施の形態の排気浄化装置に備えられる排気ガス調整部の内部構成を説明するための別の断面図である。
【図５】内燃機関の排気浄化装置の制御部の構成例を示すブロック図である。
【図６】内燃機関の排気浄化装置の制御方法の一例を示すフロー図である。
【図７】内燃機関が停止した場合の排気浄化装置の制御方法の一例を示すフロー図である。
【図８】第２の実施の形態の排気浄化装置に備えられる排気ガス調整部の構成を説明するための外観図である。
【図９】第２の実施の形態の排気浄化装置に備えられる排気ガス調整部の内部構成を説明するための断面図である。
【図１０】従来の内燃機関の排気浄化装置の構成を説明するための図である。
【図１１】従来の内燃機関の排気浄化装置の構成を説明するための図である。
【符号の説明】
【００７３】
１０：排気浄化装置、１１：内燃機関、１２：排気通路、１２ａ：上流側排気通路、１２ｂ：下流側排気通路、１３：第１の通路、１３ａ：屈曲部、１４：第２の通路、１５ａ・１５ｂ・１５ｃ・１５ｄ：取付フランジ、１７：合流部分、１８：ミキサ、１９：酸化触媒、２０：パティキュレートフィルタ、２１：還元触媒、２４・２５：温度センサ、２７：還元剤噴射弁、３０：制御部、５０：排気ガス調整部、５１：排気ガス導入室、５１ａ：第１の開口部、５１ｂ：第２の開口部、５２：バーナカバー、５２ａ：第１の小室、５２ｂ：第２の小室、５２ｃ：大室、５２ｄ：連通室、５３：円筒燃焼管、５４：排気ガス導入通路、５４ａ：端部、５５：火炎衝突部、５６：Ｌ字管、５７：合流管、５７ａ・５７ｂ：排気ガス導入孔、７０：加熱手段（バーナ）、７１：ノズル、７１ａ：軸方向孔、７２：グロープラグ、７３：加熱部、１００：排気ガス調整部、１０１：ケーシング、１０１ａ：排気ガス導入口、１０２：バーナカバー、１０３：合流管、１０３ａ・１０３ｂ：排気ガス導入孔、１０５：間隙、１１３：第１の通路、１１４：第２の通路、１１７：合流部分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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