(57)【要約】【課題】パティキュレートフィルタの触媒床温度を正確に把握し得るようにした排気浄化装置を提供し、これにより正確で細かな温度制御を実現する。【解決手段】ディーゼルエンジン１（内燃機関）からの排気ガス９が流通する排気管１１の途中にフィルタケース１２を介装し、該フィルタケース１２内の前段にフロースルー型の酸化触媒１４を収容し且つその後段に触媒再生型のパティキュレートフィルタ１３を収容した排気浄化装置に関し、酸化触媒１４と触媒再生型のパティキュレートフィルタ１３との間に排気温度を検出する温度センサ１５を配設し、この温度センサ１５の検出温度に基づいて正確で細かな温度制御を実現する。【選択図】　　　　図１
2004143988.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関からの排気ガスが流通する排気管の途中にフィルタケースを介装し、該フィルタケース内の前段にフロースルー型の酸化触媒を収容し且つその後段に触媒再生型のパティキュレートフィルタを収容した排気浄化装置において、酸化触媒と触媒再生型のパティキュレートフィルタとの間に排気温度を検出する温度センサを配設したことを特徴とする排気浄化装置。
【請求項２】
酸化触媒より上流側で排気ガス中に燃料を添加する燃料添加手段と、パティキュレートフィルタの再生を図る必要が生じた際に温度センサの検出温度に基づいて前記燃料添加手段を作動せしめる制御装置とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
【請求項３】
内燃機関の各気筒に燃料を噴射する燃料噴射装置を燃料添加手段として採用し、制御装置により気筒内への燃料噴射を制御して排気ガス中に未燃燃料分を多く残すことで燃料添加を実行するように構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気浄化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンから排出されるパティキュレート（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ　Ｍａｔｔｅｒ：粒子状物質）は、炭素質から成る煤と、高沸点炭化水素成分から成るＳＯＦ分（Ｓｏｌｕｂｌｅ　Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｆｒａｃｔｉｏｎ：可溶性有機成分）とを主成分とし、更に微量のサルフェート（ミスト状硫酸成分）を含んだ組成を成すものであるが、この種のパティキュレートの低減対策としては、排気ガスが流通する排気管の途中に、パティキュレートフィルタを装備することが従来より行われている。
【０００３】
この種のパティキュレートフィルタは、コージェライト等のセラミックから成る多孔質のハニカム構造となっており、格子状に区画された各流路の入口が交互に目封じされ、入口が目封じされていない流路については、その出口が目封じされるようになっており、各流路を区画する多孔質薄壁を透過した排気ガスのみが下流側へ排出されるようにしてある。
【０００４】
そして、排気ガス中のパティキュレートは、前記多孔質薄壁の内側表面に捕集されて堆積するので、目詰まりにより排気抵抗が増加しないうちにパティキュレートを適宜に燃焼除去してパティキュレートフィルタの再生を図る必要があるが、通常のディーゼルエンジンの運転状態においては、パティキュレートが自己燃焼するほどの高い排気温度が得られる機会が少ない為、例えばアルミナに白金を担持させたものに適宜な量のセリウム等の希土類元素を添加して成る酸化触媒を一体的に担持させた触媒再生型のパティキュレートフィルタの実用化が進められている。
【０００５】
即ち、このような触媒再生型のパティキュレートフィルタを採用すれば、捕集されたパティキュレートの酸化反応が促進されて着火温度が低下し、従来より低い排気温度でもパティキュレートを燃焼除去することが可能となるのである。
【０００６】
ただし、斯かる触媒再生型のパティキュレートフィルタを採用した場合であっても、排気温度の低い運転領域では、パティキュレートの処理量よりも捕集量が上まわってしまうので、このような低い排気温度での運転状態が続くと、パティキュレートフィルタの再生が良好に進まずに該パティキュレートフィルタが過捕集状態に陥る虞れがあり、パティキュレートの堆積量が増加してきた段階でパティキュレートフィルタより上流側の排気ガス中に燃料を添加してパティキュレートフィルタの強制再生を行うことが考えられている。
【０００７】
つまり、パティキュレートフィルタより上流側で燃料を添加すれば、その添加された燃料がパティキュレートフィルタの酸化触媒上で酸化反応し、その反応熱により触媒床温度が上げられてパティキュレートが燃やし尽くされ、パティキュレートフィルタの再生化が図られることになる。
【０００８】
尚、この種のパティキュレートフィルタの強制再生を図る方法に関しては、未公開の先行出願である下記の特許文献１や特許文献２にもとりあげられている。
【０００９】
【特許文献１】
特願２００１−３５５０６１号
【特許文献２】
特願２００２−２０３７４号
【００１０】
また、特に捕集済みパティキュレートの酸化反応を支援する目的でパティキュレートフィルタの前段にフロースルー型の酸化触媒を備えた排気浄化装置では、パティキュレートフィルタの前段の酸化触媒にて添加燃料が酸化反応して反応熱を生じ、その反応熱で昇温した排気ガスがパティキュレートフィルタへと導入されることになるので、より低い排気温度からパティキュレートフィルタの強制再生を実現することが可能となる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来においては、この種の燃料添加によるパティキュレートフィルタの強制再生を行うに際し、パティキュレートフィルタの出側に配置した温度センサによる検出温度だけで制御するようにしているので、正確で細かな制御を実現することができないという問題があった。
【００１２】
即ち、パティキュレートフィルタは、コージェライト等のセラミックで製作されたヒートマスの大きなものであるため、熱応答の悪い出側の排気温度を検出するだけでは、実際のパティキュレートフィルタの触媒床温度を正確に把握することができなかった。
【００１３】
事実、強制再生の実行時におけるパティキュレートフィルタ出側の排気温度は、実際のパティキュレートフィルタの触媒床温度と比較して温度上昇の度合が少ない上に時間的な遅れを有しており、例えば、パティキュレートフィルタの触媒床温度が溶損しかねないような高温状態に達していたとしても、これを出側の排気温度からだけで直ちに把握して対処するような制御をかけることは実質的に不可能である。
【００１４】
ましてや、パティキュレートフィルタの触媒床温度を強制再生に適した目標温度まで早期に上昇せしめ且つその目標温度に安定させて所定時間保持し得るよう燃料添加量を細かく調整して最適な温度制御をかけようとしても、前述した如き熱応答の悪い出側の排気温度に基づくものでは、正確で細かな温度制御を実現することはできない。
【００１５】
本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、パティキュレートフィルタの触媒床温度を正確に把握し得るようにした排気浄化装置を提供することによって、正確で細かな温度制御を実現することを目的としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、内燃機関からの排気ガスが流通する排気管の途中にフィルタケースを介装し、該フィルタケース内の前段にフロースルー型の酸化触媒を収容し且つその後段に触媒再生型のパティキュレートフィルタを収容した排気浄化装置において、酸化触媒と触媒再生型のパティキュレートフィルタとの間に排気温度を検出する温度センサを配設したことを特徴とするものである。
【００１７】
而して、このようにすれば、フィルタケース内に流れ込んだ排気ガスが前段の酸化触媒を通過する際に、排気ガス中の被酸化成分が酸化反応することにより反応熱が発生し、この反応熱で昇温した排気ガスの温度がパティキュレートフィルタの入側で温度センサにより検出されることになる。
【００１８】
この温度センサによる検出温度は、前段の酸化触媒を通過することにより温度変化し終えて実際にパティキュレートフィルタに流入する直前の排気温度であるので、パティキュレートフィルタの触媒床温度に対し高い相関を有するものとなり、この排気温度に基づいてパティキュレートフィルタの触媒床温度を正確に把握することが可能となる。
【００１９】
更に、本発明の排気浄化装置をより具体的に実施するに際しては、酸化触媒より上流側で排気ガス中に燃料を添加する燃料添加手段と、パティキュレートフィルタの再生を図る必要が生じた際に温度センサの検出温度に基づいて前記燃料添加手段を作動せしめる制御装置とを備えることが好ましい。
【００２０】
而して、パティキュレートフィルタの強制再生が必要となった際に、制御装置により燃料添加手段を作動させて燃料添加を実行すると、その添加燃料がフィルタケース内における前段の酸化触媒で酸化反応することにより反応熱が発生し、この反応熱により酸化触媒を通過する排気ガスが大幅に昇温される結果、酸化触媒を経て昇温した排気ガスがパティキュレートフィルタに導入されて該パティキュレートフィルタの全域が高温化され、これによりパティキュレートが良好に燃焼除去されてパティキュレートフィルタの再生が図られることになる。
【００２１】
そして、燃料添加手段の作動制御を温度センサの検出温度に基づいて制御装置で行うようにしているので、実際のパティキュレートフィルタの触媒床温度に即応した燃料添加手段の作動制御が可能となり、例えば、温度センサにより排気ガスの異常高温が検出された時に直ちに燃料添加を停止する等の処置を採ることが可能となるので、パティキュレートフィルタの溶損等といった最悪の事態を未然に回避することが可能となり、パティキュレートフィルタの触媒床温度を強制再生に適した目標温度まで早期に上昇せしめ且つその目標温度に安定させて所定時間保持し得るよう燃料添加量を細かく調整するといった正確で細かな温度制御を実現することが可能となる。
【００２２】
尚、適切な燃料添加手段の温度制御をかけているにも拘わらず温度センサの検出温度が異常に高い場合には、内燃機関側に異常が生じているものと判定することが可能となり、また、燃料添加手段により燃料添加を実行しているにも拘わらず温度センサの検出温度が上昇してこない場合には、前段の酸化触媒が劣化しているものと判定することが可能となる。
【００２３】
また、本発明においては、内燃機関の各気筒に燃料を噴射する燃料噴射装置を燃料添加手段として採用し、制御装置により気筒内への燃料噴射を制御して排気ガス中に未燃燃料分を多く残すことで燃料添加を実行すると良い。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
【００２５】
図１〜図３は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図１中における１はターボチャージャ２を装備したディーゼルエンジンを示しており、エアクリーナ３から導かれた吸気４が吸気管５を通し前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａへと送られ、該コンプレッサ２ａで加圧された吸気４がインタークーラ６へと送られて冷却され、該インタークーラ６から更に吸気マニホールド７へと吸気４が導かれてディーゼルエンジン１の各気筒８（図１では直列６気筒の場合を例示している）に分配されるようになっている。
【００２６】
更に、このディーゼルエンジン１の各気筒８から排出された排気ガス９は、排気マニホールド１０を介しターボチャージャ２のタービン２ｂへと送られ、該タービン２ｂを駆動した排気ガス９が排気管１１を介し車外へ排出されるようにしてある。
【００２７】
そして、この排気管１１の途中には、フィルタケース１２が介装されており、該フィルタケース１２内における後段には、酸化触媒を一体的に担持して成る触媒再生型のパティキュレートフィルタ１３が収容されており、図２に拡大して示す如く、このパティキュレートフィルタ１３は、セラミックから成る多孔質のハニカム構造となっており、格子状に区画された各流路１３ａの入口が交互に目封じされ、入口が目封じされていない流路１３ａについては、その出口が目封じされるようになっており、各流路１３ａを区画する多孔質薄壁１３ｂを透過した排気ガス９のみが下流側へ排出されるようにしてある。
【００２８】
また、フィルタケース１２内におけるパティキュレートフィルタ１３の直前位置には、図３に拡大して示す如きハニカム構造を有するフロースルー型の酸化触媒１４が収容されている。
【００２９】
そして、前記フィルタケース１２における酸化触媒１４とパティキュレートフィルタ１３との間には、排気ガス９の温度を触媒床温度の代用値として計測するための温度センサ１５が装備されており、該温度センサ１５の温度信号１５ａがエンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｕｎｉｔ）を成す制御装置２０に対し入力されるようになっている。
【００３０】
この制御装置２０は、エンジン制御コンピュータを兼ねていることから燃料の噴射に関する制御も担うようになっており、より具体的には、アクセル開度をディーゼルエンジン１の負荷として検出するアクセルセンサ１６（負荷センサ）からのアクセル開度信号１６ａと、ディーゼルエンジン１の機関回転数を検出する回転センサ１７からの回転数信号１７ａとに基づき、ディーゼルエンジン１の各気筒８に燃料を噴射する燃料噴射装置１８に向け燃料噴射信号１８ａが出力されるようになっている。
【００３１】
ここで、前記燃料噴射装置１８は、各気筒８毎に装備される複数のインジェクタ１９により構成されており、これら各インジェクタ１９の電磁弁が前記燃料噴射信号１８ａにより適宜に開弁制御されて燃料の噴射タイミング（開弁時期）及び噴射量（開弁時間）が適切に制御されるようになっている。
【００３２】
他方、前記制御装置２０では、アクセル開度信号１６ａ及び回転数信号１７ａに基づき通常モードの燃料噴射信号１８ａが決定されるようになっている一方、パティキュレートフィルタ１３の再生制御を行う必要が生じた際に、通常モードから再生モードに切り替わり、圧縮上死点（クランク角０゜）付近で行われる燃料のメイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い非着火のタイミング（開始時期がクランク角９０゜〜１２０゜の範囲）でポスト噴射を行うような燃料噴射信号１８ａが決定されるようになっている。
【００３３】
つまり、このようにメイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い非着火のタイミングでポスト噴射が行われると、このポスト噴射により排気ガス９中に未燃の燃料（主としてＨＣ：炭化水素）が添加されることになり、この未燃の燃料がパティキュレートフィルタ１３表面の酸化触媒上で酸化反応し、その反応熱により触媒床温度が上昇してパティキュレートフィルタ１３内のパティキュレートが燃焼除去されることになる。
【００３４】
また、この制御装置２０においては、回転センサ１７からの回転数信号１７ａに基づきディーゼルエンジン１の回転数を抽出すると共に、アクセルセンサ１６からのアクセル開度信号１６ａに基づく燃料噴射信号１８ａの決定時に判明している燃料の噴射量を抽出し、これら回転数と噴射量とによるパティキュレートの発生量マップからディーゼルエンジン１の現在の運転状態に基づくパティキュレートの基本的な発生量を推定し、この基本的な発生量に対しパティキュレートの発生にかかわる各種の条件を考慮した補正係数を掛け且つ現在の運転状態におけるパティキュレートの処理量を減算して最終的な発生量を求め、この最終的な発生量を時々刻々積算してパティキュレートの堆積量を推定するようになっている。
【００３５】
尚、このようなパティキュレートの堆積量を推定する方法には各種の考え方があり、ここに例示した推定方法以外の手法を用いてパティキュレートの堆積量を推定することも勿論可能である。
【００３６】
更に、前記制御装置２０でパティキュレートの堆積量が所定の目標値に達したものと推定された後、温度センサ１５からの温度信号１５ａに基づきパティキュレートフィルタ１３の入側の排気温度が所定温度以上の条件となるのを待って燃料噴射制御が通常モードから再生モードへ切り替わり、パティキュレートフィルタ１３の上流側の排気ガス９中に燃料が添加されるようになっており、しかも、その再生モードにおけるポスト噴射が、温度センサ１５の検出温度に応じて開始時の噴射量が段階的に増加するよう徐変制御され、しかも、温度センサ１５の検出温度が所定温度に到達した後は、この温度より高い目標温度に所定時間保持されるよう比例積分制御が実行されるようになっている。
【００３７】
また、本形態例においては、フィルタケース１２の出口部分にも温度センサ２１が装備されており、該温度センサ２１の温度信号２１ａも制御装置２０に入力されるようになっていて、この温度信号２１ａは万が一のパティキュレートフィルタ１３の溶損発生を異常高温検出により感知する目的で利用されるようになっている。
【００３８】
而して、制御装置２０にてパティキュレートの堆積量が増加してパティキュレートフィルタ１３の強制再生が必要な状態に陥っているものと判断された際に、温度センサ１５の検出温度が所定温度を超えている条件下で再生モードが選択されて、制御装置２０により燃料の噴射パターンが通常モードから再生モードに切り替えられ、メイン噴射に続き圧縮上死点より遅い非着火のタイミングでポスト噴射を行う噴射パターンが採用される結果、該ポスト噴射により排気ガス９中に未燃のまま添加された燃料が熱分解により高濃度の炭化水素となって酸化触媒１４で酸化反応することにより反応熱を生じ、この反応熱により酸化触媒１４を通過する排気ガス９が大幅に昇温され、この酸化触媒１４を経て昇温した排気ガス９がパティキュレートフィルタ１３に導入されることにより該パティキュレートフィルタ１３の全域が高温化され、これによりパティキュレートが良好に燃焼除去されてパティキュレートフィルタ１３の再生が図られることになる。
【００３９】
ここで、補足して説明しておくと、もし仮にパティキュレートフィルタ１３の直前位置に酸化触媒１４が配置されていなかった場合には、燃料添加により生成された高濃度の炭化水素がパティキュレートフィルタ１３の触媒表面で酸化反応することになるが、このような形式での実質的な酸化反応はパティキュレートフィルタ１３の後方部分に偏りがちであり、パティキュレートフィルタ１３の後方部分ばかりが高温化して前方部分にパティキュレートの燃え残りが生じ易くなってしまう。
【００４０】
これに対し、パティキュレートフィルタ１３の直前位置に酸化触媒１４を配置しておけば、該酸化触媒１４中における酸化反応が後方部分に偏ってしまっても、そこを通過した排気ガス９の温度さえ高くできれば、該排気ガス９の導入によりパティキュレートフィルタ１３を前方部分から後方部分にかけての全域に亘り高温化することが可能となるのである。
【００４１】
そして、本形態例においては、前段の酸化触媒１４を経て反応熱で昇温した排気ガス９の温度がパティキュレートフィルタ１３の入側で温度センサ１５により検出されることになるが、この温度センサ１５による検出温度は、前段の酸化触媒１４を通過することにより温度変化し終えて実際にパティキュレートフィルタ１３に流入する直前の排気温度であるので、パティキュレートフィルタ１３の触媒床温度に対し高い相関を有するものとなり、この排気温度に基づいてパティキュレートフィルタ１３の触媒床温度を正確に把握することが可能となる。
【００４２】
更に、このようにして正確に把握したパティキュレートフィルタ１３の触媒床温度に基づき燃料噴射装置１８の燃料の噴射パターンを制御装置２０により制御すれば、実際のパティキュレートフィルタ１３の触媒床温度に即応したポスト噴射制御が可能となり、例えば、温度センサ１５により排気ガス９の異常高温が検出された時に直ちにポスト噴射（燃料添加）を停止する等の処置を採ることが可能となるので、パティキュレートフィルタ１３の溶損等といった最悪の事態を未然に回避することが可能となる。
【００４３】
しかも、再生モードにおけるポスト噴射を、温度センサ１５の検出温度に応じて開始時の噴射量が段階的に増加するよう徐変制御してパティキュレートフィルタ１３の触媒床温度を強制再生に適した目標温度まで早期に上昇せしめ、次いで、その目標温度に安定して所定時間保持されるよう比例積分制御を実行するといった正確で細かな温度制御を実現することが可能となる。
【００４４】
また、燃料噴射装置１８に対し適切な温度制御をかけているにも拘わらず温度センサ１５の検出温度が異常に高い場合には、ディーゼルエンジン１側に異常が生じているものと判定することが可能となり、また、燃料噴射装置１８によりポスト噴射を実行しているにも拘わらず温度センサ１５の検出温度が上昇してこない場合には、前段の酸化触媒１４が劣化しているものと判定することが可能となる。
【００４５】
尚、本発明の排気浄化装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、先の形態例においては、燃料添加手段として燃料噴射装置を採用し、圧縮上死点付近で行われる燃料のメイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い非着火のタイミングでポスト噴射を行うことで排気ガス中に燃料を添加するようにしているが、気筒内へのメイン噴射の時期を通常より遅らせることで排気ガス中に燃料を添加するようにしても良く、更には、このように気筒内への燃料噴射を制御して排気ガス中に未燃燃料分を多く残すことにより燃料添加を行う手段だけでなく、排気管の適宜位置（排気マニホールドでも可）に燃料添加手段としてインジェクタを貫通装着し、このインジェクタにより排気ガス中に燃料を直噴して添加するようにしても良いこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００４６】
【発明の効果】
上記した本発明の排気浄化装置によれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。
【００４７】
（Ｉ）本発明の請求項１に記載の発明によれば、パティキュレートフィルタの触媒床温度を正確に把握することができるので、このパティキュレートフィルタの触媒床温度に基づき正確で細かな温度制御を実現することができ、パティキュレートフィルタの溶損等の最悪の事態も未然に回避することができる。
【００４８】
（ＩＩ）本発明の請求項２、３に記載の発明によれば、適切な燃料添加手段の温度制御をかけているにも拘わらず温度センサの検出温度が異常に高い場合には、内燃機関側に異常が生じているものと判定することができ、また、燃料添加手段により燃料添加を実行しているにも拘わらず温度センサの検出温度が上昇してこない場合には、前段の酸化触媒が劣化しているものと判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。
【図２】図１のパティキュレートフィルタの詳細を示す断面図である。
【図３】図１の酸化触媒の詳細を示す一部を切り欠いた斜視図である。
【符号の説明】
１　　ディーゼルエンジン（内燃機関）
８　　気筒
９　　排気ガス
１１　　排気管
１２　　フィルタケース
１３　　パティキュレートフィルタ
１４　　酸化触媒
１５　　温度センサ
１８　　燃料噴射装置（燃料添加手段）
２０　　制御装置
【図１】
2004143988.tif 000003
【図２】
2004143988.tif 000004
【図３】
2004143988.tif 000005