(57)【要約】冷間始動時等における窒素酸化物の外部への放出を抑制できる内燃機関の排気浄化装置を提供する。排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するためのフィルタ（３０）と、フィルタ（３０）の下流に設けられ、窒素酸化物を還元する選択還元触媒コンバータ（４０）と、選択還元触媒コンバータ（４０）の上流に設けられ、排気ガスに含まれる窒素酸化物を一時的に吸着する吸着機能付き酸化触媒コンバータ（２５）と、フィルタ（３０）、選択還元触媒コンバータ（４０）及び酸化触媒コンバータ（２５）に流入する排気ガスの温度を上昇させてフィルタ（４０）の温度を所定の再生温度以上にすることにより当該フィルタを再生処理するバーナー（２０）と、バーナー（２０）を起動する際に、選択還元触媒コンバータ（４０）が活性化していない場合にはバーナー（２０）の起動を禁止するＥＣＵ（１００）とを備える。
2010082306.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられ、排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するためのフィルタと、
前記排気通路の前記フィルタの下流に設けられ、排気ガスに含まれる窒素酸化物を還元する選択還元触媒コンバータと、
前記排気通路の前記選択還元触媒コンバータの上流に設けられ、前記選択還元触媒コンバータで還元されるべき排気ガスに含まれる窒素酸化物を一時的に吸着する吸着手段と、
前記フィルタ、前記選択還元触媒コンバータ及び前記吸着手段に流入する排気ガスの温度を上昇させて、前記フィルタの温度を所定の再生温度以上にすることにより当該フィルタを再生処理する再生処理手段と、
前記フィルタへの粒子状物質の堆積が所定量を越えて前記再生処理手段を起動する際に、前記選択還元触媒コンバータが活性化していない場合には、前記再生処理手段の起動を禁止する制御手段と、
を有する内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記再生処理手段は、前記排気通路の前記フィルタの上流に設けられ、未燃燃料を酸化することにより排気ガスを昇温させる酸化触媒コンバータを含む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】
前記再生処理手段は、前記排気通路の前記酸化触媒コンバータの上流に設けられたバーナーを含む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】
前記吸着手段は、前記酸化触媒コンバータと一体的に形成されている、
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記制御手段は、前記選択還元触媒コンバータの状態と前記吸着手段における窒素酸化物の吸着状態とに基づいて、前記再生処理の起動を禁止するかを決定することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
前記制御手段は、前記再生処理の起動の禁止期間中に、前記フィルタへの粒状物質の堆積量が前記第１の所定量を越える第２の所定量に達した場合には、前記再生処理の起動の禁止を解除する、ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか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する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化するために、多くの排気浄化システムが提案されている。例えば、特許文献１に開示された排気浄化システムは、排気通路に設けられた、排気ガスを昇温させるためのバーナーシステム、排気ガスに含まれる粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）を捕集するフィルタ、排気ガスに含まれる窒素酸化物を一時的に吸着するＮＯｘ吸着材、ＮＯｘ吸着材から脱離した窒素酸化物を燃焼するための燃焼装置等から構成されている。この排気浄化装置では、ＰＭが堆積したフィルタの再生は、バーナーシステムによりフィルタを昇温させてＰＭを燃焼除去することにより実行される。その際、ＮＯｘ吸着材も昇温するため、ＮＯｘ吸着材に吸着されたＮＯｘは脱離する。この脱離されたＮＯｘは、燃焼装置により還元除去される。
【特許文献１】特開２００５−２０７２８１号公報
【発明の開示】
【０００３】
ところで、特許文献１に開示された排気浄化装置においては、ＮＯｘを還元除去するために燃焼装置において多量の燃料を消費する。ＮＯｘの浄化に要する燃料消費を抑制するには、燃焼装置に代えて、ＮＯｘ触媒を排気通路中に設置することが考えられる。ＮＯｘ触媒としては、例えば、尿素を還元剤として用いた選択還元触媒が挙げられる。
【０００４】
しかしながら、上記したフィルタを再生処理を実行する際に、冷間始動直後等のＮＯｘ触媒が未だ活性化温度に到達していない場合には、ＮＯｘ吸着材が昇温されて脱離したＮＯｘがＮＯｘ触媒をすり抜けて還元されずに外部に放出される可能性がある。
【０００５】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、排気ガスの通路に、排気ガス中の粒子状物質を捕集するフィルタと、排気ガス中の窒素酸化物を吸着する吸着材と、排気ガス中の窒素酸化物を還元する窒素酸化物選択還元触媒とが分離配置された排気浄化装置において、冷間始動時等における窒素酸化物の外部への放出を抑制できる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【０００６】
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に設けられ、排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するためのフィルタと、前記排気通路の前記フィルタの下流に設けられ、排気ガスに含まれる窒素酸化物を還元する選択還元触媒コンバータと、前記排気通路の前記選択還元触媒コンバータの上流に設けられ、前記選択還元触媒コンバータで還元されるべき排気ガスに含まれる窒素酸化物を一時的に吸着する吸着手段と、前記フィルタ、前記選択還元触媒コンバータ及び前記吸着触媒に流入する排気ガスの温度を上昇させて、前記フィルタの温度を所定の再生温度以上にすることにより当該フィルタを再生処理する再生処理手段と、前記フィルタへの粒子状物質の堆積が所定量を越えて前記再生処理手段を起動する際に、前記選択還元触媒コンバータが活性化していない場合には、前記再生処理手段の起動を禁止する制御手段と、を有することを特徴としている。
【０００７】
上記構成において、前記再生処理手段は、前記排気通路の前記フィルタの上流に設けられ、未燃燃料を酸化することにより排気ガスを昇温させる酸化触媒コンバータを含む、構成を採用できる。
【０００８】
上記構成において、前記再生処理手段は、前記排気通路の前記酸化触媒コンバータの上流に設けられたバーナーを含む、構成を採用できる。
【０００９】
上記構成において、前記吸着手段は、前記酸化触媒コンバータと一体的に形成されている、構成を採用できる。
【００１０】
上記構成において、前記制御手段は、前記選択還元触媒コンバータの状態と前記吸着手段における窒素酸化物の吸着状態とに基づいて、前記再生処理の起動を禁止するかを決定する、構成を採用できる。
【００１１】
上記構成において、前記制御手段は、前記再生処理の起動の禁止期間中に、前記フィルタへの粒状物質の堆積量が前記第１の所定量を越える第２の所定量に達した場合には、前記再生処理の起動の禁止を解除する、構成を採用できる。
【００１２】
本発明によれば、冷間始動時等における窒素酸化物の浄化性能が向上した内燃機関の排気浄化装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成図である。
【図２】図２は、ＥＣＵ１００によるＤＰＦ３０の再生処理の一例を示すフローチャートである。
【図３】図３は、ＥＣＵ１００によるＤＰＦ３０の再生処理の他の例を説明するための図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の好適一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。【００１５】
図１は本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成図である。図１において、内燃機関１０は、例えば、ディーゼルエンジンである。この内燃機関１０の排気通路１５には、上流側から順に、再生処理手段としてのバーナー２０、吸着材及び酸化触媒コンバータとしての吸着機能付酸化触媒コンバータ２５、フィルタとしてのＤＰＦ（ディーゼル・パティキュレート・フィルタ）３０、選択還元触媒コンバータ４０及び酸化触媒コンバータ５０が設けられている。【００１６】
また、排気通路１５において、バーナー２０と吸着機能付酸化触媒コンバータ２５との間には排気温度センサ６０Ａ、吸着機能付酸化触媒コンバータ２５とＤＰＦ３０との間には排気温度センサ６０Ｂ、ＤＰＦ３０と選択還元触媒コンバータ４０との間には上流側に排気温度センサ６０Ｃ及び下流側に排気温度センサ６０Ｄがそれぞれ設けられており、これら排気温度センサ６０Ａ〜６０Ｄの出力は、電子制御装置（ＥＣＵ）１００に入力される。【００１７】
さらに、排気通路１５において、ＤＰＦ３０と選択還元触媒コンバータ４０との間には、排気通路１５に尿素水溶液を添加するための尿素水添加弁７０と、この尿素水添加弁７０の下流に設けられて排気ガスＥＧと尿素水溶液を混合させるための添加弁下流ミキサ８０とが設けられている。なお、尿素水添加弁７０はＥＣＵ１００により制御されるようになっている。【００１８】
バーナー２０は、例えば、排気通路１５に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁、排気通路１５に向けて空気を供給する空気導入口、燃料噴射弁から噴射されて空気と混合した燃料に点火する点火プラグ等から構成される。バーナー２０の起動及び停止は、ＥＣＵ１００により制御される。このバーナー２０を必要に応じて起動することにより、燃料が燃焼されて排気ガスＥＧの温度が上昇し、これと同時に、未燃燃料が排気通路１５内に供給される。なお、バーナー２０は、燃料を完全に燃焼したガスを排気通路１５内に供給することもできるし、燃焼させたガスに未燃燃料を混ぜた状態で排気通路１５内に供給することもできる。【００１９】
吸着機能付酸化触媒コンバータ２５は、後段のＤＰＦ３０等に供給される排気ガスＥＧの温度を昇温させるために未燃燃料等を酸化する酸化触媒と、窒素酸化物（ＮＯｘ）を一時的に吸着保持できるＮＯｘ吸着機能とを併せ持つ。具体的には、たとえば、５００℃程度以上に温度上昇すると活性化してその酸化機能が働く。一方、吸着機能付酸化触媒コンバータ２５は、酸化機能が活性化していない比較的低温度の状態では、ＮＯｘを一時的に吸着保持するが、ある程度以上温度上昇すると、吸着していたＮＯｘが脱離する。すなわち、吸着機能付酸化触媒コンバータ２５は、酸化触媒にＮＯｘ吸着機能を併せもつことにより、急速な温度上昇によりＮＯｘの離脱を速やかに実行できる。この吸着機能付酸化触媒コンバータ２５としては、例えば、酸化触媒はゼオライトなどの材料で構成される吸着材料を、周知の酸化触媒の構造に担持させた構成とすることができる。なお、吸着機能付酸化触媒コンバータ２５は、酸化機能とＮＯｘ吸着機能の双方を備えていれば、その構造については特に限定されない。【００２０】
ＤＰＦ３０は、排気ガスＥＧに含まれる粒子状物質（ＰＭ）を捕集するフィルタである。ＤＰＦ３０の構造は、周知のように、例えば、金属やセラミクス製のハニカム体で構成されている。ＤＰＦ３０は、ＰＭが所定量堆積するとバーナー２０および吸着機能付酸化触媒コンバータ２５を用いて、その活性温度以上に昇温して、捕集したＰＭを燃焼処理し、フィルタ機能を再生する必要がある。この再生処理におけるＤＰＦ３０の温度は、例えば、６００〜７００℃程度となる。なお、ＤＰＦ３０に所定量のＰＭが堆積したかの判断は、周知技術であるので、説明を省略する。【００２１】
選択還元触媒コンバータ４０は、尿素添加弁７０から添加される尿素水溶液を還元剤として用いて、排気ガスＥＧに含まれるＮＯｘを選択的に還元して窒素ガスと水にする。具体的には、排気ガスＥＧ中に添加された尿素水溶液は、排気ガスＥＧの熱により加水分解されてアンモニアに変化し、このアンモニアが触媒コンバータ４０においてＮＯｘと反応し、水と無害な窒素に還元される。この選択還元触媒コンバータ４０は、周知の構造であり、例えば、Ｓｉ、Ｏ、Ａｌを主成分とすると共にＦｅイオンを含むゼオライトから構成されたものや、例えば、酸化アルミニウムアルミナからなる基材の表面にバナジウム触媒（Ｖ２Ｏ５）を担持させたものなどを用いることができ、特に、これらに限定されるわけではない。選択還元触媒コンバータ４０は、触媒として機能する活性化温度は、例えば２００℃程度以上であり、活性化温度に達しない状態でＮＯｘが供給されると、これが還元されないまま外部に排出される可能性がある。【００２２】
酸化触媒コンバータ５０は、選択還元触媒コンバータ４０をすり抜ける未燃燃料やアンモニウムを酸化する役割を果たす。この酸化触媒コンバータ５０には、周知の構造のものが用いられる。【００２３】
ＥＣＵ１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（Electronically Erasable and Programmable Read Only Memory）等のバックアップ用メモリ、Ａ／Ｄ変換器やバッファ等を含む入力インターフェース回路、駆動回路等を含む出力インターフェース回路を含むハードウエアと所要のソフトウエアで構成される。ＥＣＵ１００は、各排気温度センサ６０Ａ〜６０Ｄからの信号等に基づいて、バーナー２０、尿素水添加弁７０等を制御する。なお、ＥＣＵ１００による具体的な処理については後述する。【００２４】
次に、ＥＣＵ１００によるＤＰＦ３０の再生処理手順の一例について図２に示すフローチャートを参照して説明する。なお、図２に示す再生処理ルーチンは、内燃機関の始動後、例えば、所定時間毎に実行される。【００２５】
先ず、ＤＰＦ３０に堆積したＰＭ堆積量がＰＭ再生処理を実行すべきＰＭ再生要求しきい値を超えているかを判断する（ステップＳ１）。ＤＰＦ３０のＰＭ堆積量は、たとえば、前回のＰＭ再生処理からの燃料噴射量等から算出するが、ＤＰＦ３０のＰＭ堆積量の推定方法は種々の周知の方法が提案されている。ＰＭ再生要求しきい値は、たとえば、ＤＰＦ３０のＰＭ捕集能力等を基に決定される。【００２６】
ステップＳ２において、現在のＰＭ堆積量がＰＭ再生要求しきい値を超えていない場合は、処理を終了する。現在のＰＭ堆積量がＰＭ再生要求しきい値を超えている場合には、吸着機能付酸化触媒コンバータ２５に吸着されたＮＯｘが存在するか、すなわち、吸着機能付酸化触媒コンバータ２５のＮＯｘ吸着量がゼロより大であるかを判断する（ステップＳ２）。なお、このステップＳ２において、吸着機能付酸化触媒コンバータ２５のＮＯｘ吸着量が所定量より大きいかで判断することもできる。【００２７】
ステップＳ２において、吸着機能付酸化触媒コンバータ２５のＮＯｘ吸着量がゼロである場合には、後述するＤＰＦ３０のＰＭ再生処理を実行する（ステップＳ４）。【００２８】
ステップＳ２において、吸着機能付酸化触媒コンバータ２５がＮＯｘを吸着している場合には、選択還元触媒コンバータ４０の上流側の排気ガスの温度（ＳＣＲ前排気温）が選択還元触媒の活性化温度（ＳＣＲ活性温度）に達しているかを判断する（ステップ３）。すなわち、選択還元触媒コンバータ４０の触媒が活性化しているかを判断する。なお、選択還元触媒コンバータ４０の触媒が活性化しているかを判断する方法は、ＳＣＲ前排気温を参照する以外の他の方法を用いることも可能であり、触媒が活性化していることを判断できればよい。【００２９】
ステップＳ３において、選択還元触媒コンバータ４０の触媒が活性化していると判断した場合には、ＤＰＦ３０のＰＭ再生処理を実行する（ステップＳ４）。ＤＰＦ３０のＰＭ再生処理を実行するには、バーナー２０を点火、起動して、排気ガスＥＧを高温化させることにより、吸着機能付酸化触媒コンバータ２５の酸化機能が活性化し、その結果、高温の排気ガスＥＧがＤＰＦ３０に流入し、ＤＰＦ３０の温度も上昇する。これにより、ＤＰＦ３０に堆積したＰＭが燃焼し、ＤＰＦ３０が再生処理される。【００３０】
ここで、ステップＳ４において、吸着機能付酸化触媒コンバータ２５の点火、起動により、吸着機能付酸化触媒コンバータ２５が高温になると、吸着機能付酸化触媒コンバータ２５に吸着されたＮＯｘは、温度上昇にともなって、吸着機能付酸化触媒コンバータ２５から離脱し、このＮＯｘがＤＰＦ３０を通過して選択還元触媒コンバータ４０に到達する。このとき、選択還元触媒コンバータ４０の触媒は、ステップＳ３の判断により、既に活性化されているので、上流から流入するＮＯｘを選択的に還元処理し、ＮＯｘを無害な窒素ガス及び水に変換する。すなわち、吸着機能付酸化触媒コンバータ２５は、ＤＰＦ３０のＰＭ再生処理を実行する前に、確実に活性化しているので、吸着機能付酸化触媒コンバータ２５から離脱したＮＯｘが確実に選択還元触媒コンバータ４０において浄化される。【００３１】
ステップＳ３において、選択還元触媒コンバータ４０の触媒が活性化していないと判断した場合には、処理を終了する。すなわち、ＰＭ再生処理手段の起動を禁止する。これにより、バーナー２０が起動されないので、吸着機能付酸化触媒コンバータ２５の温度が上昇することがなく、吸着機能付酸化触媒コンバータ２５に吸着されたＮＯｘが離脱して触媒が活性化していない選択還元触媒コンバータ４０に流入するのを防ぐことができる。【００３２】
図３は、ＥＣＵ１００によるＤＰＦ３０の再生処理の他の例を説明するための図である。上記実施形態において、ＰＭ再生処理は、例えば、図３に示すように、燃費が最も良くなるような第１のＰＭ再生しきい値（ＰＭ堆積量）Ｎ１において実行される。第１のＰＭ再生しきい値Ｎ１において、最も少ない燃料でＤＰＦ３０に堆積したＰＭを燃焼できる。【００３３】
図２において説明したように、ステップＳ３において、選択還元触媒コンバータ４０の触媒が活性化していない場合には、ＤＰＦ３０のＰＭ再生処理を禁止すると、ＰＭ再生処理が禁止された状態が継続する。このＰＭ再生処理の禁止期間中にも、ＤＰＦ３０のＰＭの堆積量は第１のＰＭ再生しきい値Ｎ１を超えて増加していく。このため、図３に示すように、ＰＭ再生処理が許可されたときにＰＭ再生処理に必要な燃料（バーナー２０へ供給する燃料）も増大し、燃費が悪化する可能性がある。【００３４】
一方、ＤＰＦ３０のＰＭの堆積量が増加すると、ＰＭ再生時の発熱量も大きくなり、ＤＰＦ３０の下流に存在する選択還元触媒コンバータ４０の触媒が活性化に至る速度を速めることができる。したがって、ＰＭ再生処理が禁止された状態において、ＰＭの堆積量の増加に伴う燃費悪化と、ＰＭの堆積量の増加に伴う選択還元触媒コンバータ４０の触媒の早期活性化とのトレードオフにより、図３に示すＰＭ再生しきい値Ｎ２を設定する。【００３５】
そして、ＰＭ再生処理が禁止された期間中において、ＰＭの堆積量がＰＭ再生しきい値Ｎ２に達した場合には、再生処理の起動の禁止を解除して、ＰＭ再生処理を実行する。これにより、燃費悪化を最小限に抑えつつ、選択還元触媒コンバータ４０の触媒の活性化を速めることができる。【００３６】
上記実施形態では、吸着機能付酸化触媒コンバータ２５が吸着材としての機能と酸化触媒としての機能を併せ持つ構成を採用したが、本発明はこれに限定されるわけではなく、ＮＯｘを吸着する単独の吸着材をバーナー２０の下流でかつ選択還元触媒コンバータ４０の上流のいずれかの位置に配置することも可能である。また、酸化触媒機能と吸着材の機能とを別個に設けても良く、さらに、酸化触媒機能を省略することも可能である。この場合には、バーナーで吸着材を直接的に昇温すればよい。【００３７】
上記実施形態では、再生処理手段としてバーナーを用いた場合を説明したが、これに限定されるわけではなく、たとえば、バーナーに代えて内燃機関の燃料のポスト噴射を用いて、未燃燃料を上流側の酸化触媒に供給して排気ガスを昇温させることも可能である。
【図１】
2010082306.tif 000003
【図２】
2010082306.tif 000004
【図３】
2010082306.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成24年3月21日(2012.3.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられ、排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するためのフィルタと、
前記排気通路の前記フィルタの下流に設けられ、排気ガスに含まれる窒素酸化物を還元する選択還元触媒コンバータと、
前記排気通路の前記選択還元触媒コンバータの上流に設けられ、前記選択還元触媒コンバータで還元されるべき排気ガスに含まれる窒素酸化物を一時的に吸着する吸着手段と、
前記フィルタ、前記選択還元触媒コンバータ及び前記吸着手段に流入する排気ガスの温度を上昇させて、前記フィルタの温度を所定の再生温度以上にすることにより当該フィルタを再生処理する再生処理手段と、
前記フィルタへの粒子状物質の堆積が所定量を越えて前記再生処理手段を起動する際に、前記選択還元触媒コンバータが活性化温度に達しておらず活性化していない場合には、前記再生処理手段の起動を禁止する制御手段と、
を有する内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記再生処理手段は、前記排気通路の前記フィルタの上流に設けられ、未燃燃料を酸化することにより排気ガスを昇温させる酸化触媒コンバータを含む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】
前記再生処理手段は、前記排気通路の前記酸化触媒コンバータの上流に設けられたバーナーを含むことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記吸着手段は、前記酸化触媒コンバータと一体的に形成されている、
ことを特徴とする請求項２または３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記制御手段は、前記選択還元触媒コンバータの状態と前記吸着手段における窒素酸化物の吸着状態とに基づいて、前記再生処理手段の起動を禁止するかを決定することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
前記制御手段は、前記再生処理手段の起動の禁止期間中に、前記フィルタへの粒子状物質の堆積量が第１の所定量を越える第２の所定量に達した場合には、前記再生処理手段の起動の禁止を解除する、ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【国際調査報告】
2010082306.tif 000006
2010082306.tif 000007
2010082306.tif 000008
2010082306.tif 000009