(57)【要約】【課題】本発明は、内燃機関の排気に含まれるパティキュレートを捕集するフィルタの再生機能を維持できる内燃機関の排気浄化装置を提供する。【解決手段】排気浄化装置１は、排気通路３において酸化触媒５よりもエンジン２に近い位置に配置されたフロント酸化触媒７と、このフロント酸化触媒７より上流側と下流側の排気通路３とを連通するバイパス通路８と、フロント酸化触媒７側とバイパス通路８側とに排気通路３を切換える流路切換装置９とを備えている。フィルタ４を強制再生する場合、排気通路３を切換え、排気Ｅの温度を上げ、フロント酸化触媒７を通して、酸化触媒５及びフィルタ４に排気Ｅを流す。酸化触媒５を活性化した後、流路切換装置９で排気通路３をフロント酸化触媒７側からバイパス通路８側に切換えて未燃燃料を供給する。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に配置され排気中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタと、
同フィルタの上流側に位置して前記排気通路に配置された酸化触媒と、
前記フィルタを強制的に再生するに際して前記機関の排気温度を上昇させて前記酸化触媒を活性化させる触媒昇温制御を実行した後で前記酸化触媒に未燃燃料を供給して前記フィルタを昇温させるフィルタ昇温制御を実行する強制再生制御手段と
を有する内燃機関の排気浄化装置において、
前記酸化触媒より上流側に位置して前記排気通路に配置されたフロント酸化触媒と、
前記フロント酸化触媒をバイパスするよう前記排気通路に設けられたバイパス通路と、
排気の流れを前記フロント酸化触媒もしくは前記バイパス通路側に切り換える流路切換装置とを更に備え、
前記触媒昇温制御実行時には前記流路切換装置が排気の流れをフロント酸化触媒側に切り換え、前記フィルタ昇温制御実行時には前記流路切換装置が排気の流れをバイパス通路側に切り換える
ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記フロント酸化触媒は、前記酸化触媒よりも容積が小さい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】
前記フロント触媒は、前記酸化触媒よりも前記内燃機関に近接して配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記流路切換装置は、前記触媒昇温制御時以外において前記バイパス通路側に切り換えられることを特徴とする請求項１から請求項３の内のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関から排出されたパティキュレートを捕集するフィルタとこのフィルタの機能を回復させる再生手段を備える内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の一例であるディーゼルエンジンの排気通路に設けられる排気浄化装置は、排気に含まれる黒煙、煤、ＨＣなどといったパティキュレートを捕集するためのディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）と、このＤＰＦの機能を維持するためにＤＰＦの上流に設けられる再生装置を備える。再生装置は、酸化触媒を有しており、排気に含まれるＮＯとＯ２を反応させてＮＯ２を生成する。生成されたＮＯ２は、パティキュレートと反応する。これによって、パティキュレートが除去され、ＤＰＦは、再生される。Ｏ２は、パティキュレートと反応するために約５５０°以上の雰囲気温度が必要であることに対し、ＮＯ２は、約２５０°以上の雰囲気温度でパティキュレートと反応することから連続再生が可能となる。すなわち、エンジンが一定の回転数以上に維持されるような連続運転状態の場合、排気温度が約２５０℃以上に保たれるので、フィルタは、パティキュレートを捕集しつつパティキュレートを燃焼させる、いわゆる連続再生状態を実現できる。
【０００３】
ところが、軽負荷運転が連続すると、排気温度が低下し、フィルタの上流に配置された酸化触媒は、活性化温度に達し難いため、ＤＰＦの再生が不十分となる場合がある。排気浄化装置は、再生機能が低下すると、ＤＰＦが過剰捕集状態となり、パティキュレートによって目詰まりを起す。その結果、排気圧力が増大し、エンジンの燃費及び動力性能を低下させる。
【０００４】
そこで、ＤＰＦの上流に酸化触媒を備え、ＤＰＦに捕集されたパティキュレートの堆積量を排ガスセンサ、エンジン回転センサ、エンジン負荷センサ、エンジン可動タイマ、吸気量センサ、ＮＯｘセンサ、Ｏ２センサ、排ガス温度センサのいずれかで見積もり、燃料噴射装置の燃料噴射時期及び噴射量、ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇｕｓ  Ｒｅ−ｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置のＥＧＲバルブの開度、ターボ過吸機の吸気量、各シリンダに設けられた吸気弁及び排気弁の開閉時期及びリフト量、吸気通路に設けられた吸気絞り弁の開度のいずれかを制御する再生装置がある（例えば、特許文献１参照。）。この再生装置は、エンジンの運転状態を制御することで、ＮＯの排出量を増加させてＮＯ２の量を増やしたり、排気温度を上昇させてＮＯ２とパティキュレートとの反応を促進させたりする。
【０００５】
また、触媒がコーティングされたフィルタと、このフィルタの温度を検出する温度センサと、温度センサの温度信号を基にフィルタの上流に燃料を噴射する燃料噴射手段を備える排気微粒子浄化装置がある（例えば、特許文献２参照。）。フィルタの再生時期は、温度センサで検出される温度を基に判断し、燃料の噴射時期及び量を制御する。この排気微粒子浄化装置は、膨張行程中に、シリンダ内に燃料を追加噴射し、シリンダ内に残る余剰空気の酸素と燃料を反応させ、排気の温度を上昇させる。温度が上昇した排気は、触媒の活性化温度以上に触媒付きフィルタを温める。そして、温められた触媒で追加噴射された燃料を酸化させ、この反応熱でフィルタについたパティキュレートを燃焼する。フィルタの温度が、パティキュレートの着火温度以上になっている状態が所定の時間を超えた場合に、膨張行程から排気行程の間の燃料噴射を止めて、フィルタの再生を完了する。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−１１５８２２号公報（段落００１１−００４６、第１図−第１０図）
【０００７】
【特許文献２】
特開平７−２５９５３３号公報（段落００１４−００３６、第１図−第８図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、フィルタを再生するために、酸化触媒が活性化温度になるようにエンジンの負荷を変動させて排気を昇温することで、いわゆる強制再生を実施する場合、通常の運転条件の排気に比べ、多くのパティキュレートが排気に含まれるようになる。そして、酸化触媒が活性化温度に達するまでの間に発生するパティキュレートは、酸化触媒にも付着する。したがって、強制再生を繰返すと、次第に酸化触媒がパティキュレートで覆われて酸化触媒の機能を充分に発揮できなくなるため、排気浄化装置は、フィルタを連続再生する機能が低下する。
【０００９】
そこで、本発明は、内燃機関の排気に含まれるパティキュレートを捕集するフィルタの連続再生機能を維持しながら強制再生性能も向上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。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
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配置され排気中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタと、同フィルタの上流側に位置して前記排気通路に配置された酸化触媒と、前記フィルタを強制的に再生するに際して前記機関の排気温度を上昇させて前記酸化触媒を活性化させる触媒昇温制御を実行した後で前記酸化触媒に未燃燃料を供給して前記フィルタを昇温させるフィルタ昇温制御を実行する強制再生制御手段とを有する内燃機関の排気浄化装置において、前記酸化触媒より上流側に位置して前記排気通路に配置されたフロント酸化触媒と、前記フロント酸化触媒をバイパスするよう前記排気通路に設けられたバイパス通路と、排気の流れを前記フロント酸化触媒もしくは前記バイパス通路側に切り換える流路切換装置とを更に備え、前記触媒昇温制御実行時には前記流路切換装置が排気の流れをフロント酸化触媒側に切り換え、前記フィルタ昇温制御実行時には前記流路切換装置が排気の流れをバイパス通路側に切り換える。
【００１１】
フィルタを強制的に再生するに際して、機関の排気温度を上昇させて酸化触媒を活性化させる触媒昇温制御実行時には、流路切換装置が排気の流れをフロント酸化触媒側に切り換えるため、酸化触媒より上流側に位置するフロント酸化触媒は短期間に昇温して下流の酸化触媒に流れる排気温度の上昇を促進して酸化触媒を効率良く活性化させることができるし、機関の排気温度の上昇に伴い機関から排出される煤は比較的高温のフロント酸化触媒により酸化燃焼させることができるので、酸化触媒への煤付着を防止できると同時に煤の燃焼による熱で酸化触媒の活性化をより促進させることができる。
【００１２】
その後、酸化触媒に未燃燃料を供給してフィルタを昇温させるフィルタ昇温制御実行時には、流路切換装置が排気の流れをバイパス通路側に切り換えるため、未燃燃料を酸化触媒で確実に燃焼させることができフィルタを効率良く昇温させて効率良く再生することができる。
【００１３】
好ましい態様として、フロント酸化触媒を下流の酸化触媒より小容量とするのが良く、この場合は触媒昇温制御実行時におけるフロント酸化触媒の短期間での昇温をより促進することができる。
【００１４】
また、通常運転時の内燃機関の排圧上昇を防ぐために、触媒昇温制御時以外は、流路切換装置をバイパス通路側に切り換えて排気をバイパス通路に流すのが良い。また、フィルタの強制再生を効率よく実施するために、酸化触媒とフィルタの間に温度検出器を設け、フィルタの入口の温度を検出し、この温度に基づいて強制再生制御手段で流路切換装置を作動させても良い。また、排気の流量や圧力を変化させないために、圧損も考慮してフロント酸化触媒の流路断面積とバイパス通路の流路断面積を決定しても良い。そして、流路切換装置は、フロント酸化触媒側とバイパス通路側のそれぞれにバルブを備え、それぞれ独立して開閉できるようにしても良い。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明に係る一実施形態の排気浄化装置１について、図１から図３を参照して説明する。図１に示すように排気浄化装置１は、内燃機関、具体的には、ディーゼルエンジン２の排気通路３に設けられている。排気浄化装置１は、フィルタ４と酸化触媒５と温度検出器６とフロント酸化触媒７とバイパス通路８と流路切換装置９と制御装置１０とを備えている。
【００１６】
フィルタ４は、エンジン２から排出される排気Ｅに含まれる黒煙、煤、ＨＣなどのようなパティキュレートを捕集する。酸化触媒５は、フィルタ４の上流側に設けられ、触媒反応によって排気Ｅに含まれるＮＯとＯ２との酸化反応を活性化させる。これによって、ＮＯ２が生成される。
【００１７】
温度検出器６は、フィルタ４の上流側で酸化触媒５の下流側に配置され、フィルタ４の入口の排気温度Ｋを検出する。この温度検出器６は、具体的には、測温抵抗体やサーミスタ、或いはステンレスの鞘に熱電対が挿入されたシース熱電対など温度変化を電気的な変化量として出力することのできるものである。なお、温度検出器６は、予め設定される温度条件で信号を出力するように設定されたバイメタルでもよい。
【００１８】
フロント酸化触媒７は、排気通路３において酸化触媒５よりも上流で、エキゾーストマニホールドと排気管との接続部やエキゾーストマニホールドの内部など、エンジン２に近接した位置に配置されている。フロント酸化触媒７は、酸化触媒５と同等以上の酸化力を有する触媒であって、酸化触媒５よりも容積が小さい。バイパス通路８は、フロント酸化触媒７より上流側の排気通路３とフロント酸化触媒７より下流側で酸化触媒５より上流側の排気通路３とを連通している。
【００１９】
流路切換装置９は、排気通路３とバイパス通路８との分岐部に設けられている。流路切換装置９は、触媒側バルブＡとバイパス側バルブＢとを備えている。触媒側バルブＡは、フロント酸化触媒７に通じる経路を遮断する。バイパス側バルブＢは、バイパス通路８に通じる経路を遮断する。それぞれのバルブＡ，Ｂは、例えば、バタフライ式のバルブであって、それぞれ独立して作動する。なお、流路切換装置９は、プランジャなどによって、フロント酸化触媒７側とバイパス通路８側のどちらかに排気通路３を連通する切換弁であっても良い。
【００２０】
制御装置１０は、強制再生制御手段の一例であって、触媒昇温制御とフィルタ昇温制御とを実行する。触媒昇温制御において、制御装置１０は、流路切換装置９を作動させて、排気通路３をフロント酸化触媒７側に連通させる。つまり、図２に示すように触媒側バルブＡを開き、バイパス側バルブＢを閉じる。これにより、排気Ｅは、フロント酸化触媒７を通過して酸化触媒５へと送られる。フィルタ昇温制御において、制御装置１０は、流路切換装置９を作動させて、排気通路３をバイパス通路８側に連通させる。つまり、図１に示すように触媒側バルブＡを閉じ、バイパス側バルブＢを開く。
【００２１】
また、制御装置１０は、時間計測用のタイマを内蔵しており、強制再生インターバル時間ｔ１と再生時間ｔ２とが予め設定されている。強制再生インターバル時間ｔ１は、フィルタ４に堆積するパティキュレートの量が、飽和状態になるであろう時間を予測して予め決定される時間であって、エンジン２が置かれる情況に応じて適宜最適な時間に設定されるものである。再生時間ｔ２は、パティキュレート捕集容量が飽和状態にあるフィルタ４に対して未燃燃料を添加し、再生するために必要となる時間である。制御装置１０は、さらに温度Ｋ１，Ｋ２が設定されている。温度Ｋ１は、酸化触媒５が活性化されて未燃燃料を酸化させるに十分な温度である。また、温度Ｋ２は、フィルタ４に捕集されたパティキュレートが酸化除去される温度である。
【００２２】
以上のように構成された排気浄化装置１は、図３に示すように作動する。エンジン２が通常運転状態の場合（Ｓ１）、触媒側バルブＡは、閉じており、バイパス側バルブＢは、開いている。したがって、排気Ｅは、図１に示すように、バイパス通路８を通って酸化触媒５へと流れる。酸化触媒５は、排気Ｅに含まれるＮＯを酸化してＮＯ２を生成する。温度Ｋが、ＮＯ２とパティキュレートとの反応温度を超えている場合、フィルタ４に捕集されているパティキュレートが、ＮＯ２と反応し、フィルタ４から除去される。
【００２３】
制御装置１０は、内蔵するタイマによって、時間ｔを計測している（Ｓ２）。計測時間ｔが強制再生インターバル時間ｔ１として予め設定された時間を経過すると、制御装置１０は、フィルタ４を強制再生するために、触媒昇温制御を開始する（Ｓ３）。制御装置１０は、流路切換装置９を作動させ、触媒側バルブＡを開き、バイパス側バルブＢを閉じる（Ｓ４）。この結果、排気Ｅは、図２に示すようにフロント酸化触媒７を通過するようになる。
【００２４】
そして、エンジン２の燃料噴射ノズル（図示せず）から燃料を供給するタイミングなどを制御することで、排気Ｅの温度を上昇させる。フロント酸化触媒７は、排気通路３においてエンジン２から近い位置に配置されている。したがって、エンジン２から排出された排気Ｅは、温度を低下させることなくフロント酸化触媒７に到達する。また、フロント酸化触媒７は、酸化触媒５に比べて容積が小さいので、酸化触媒５に比べて短時間で温度が上がる。
【００２５】
その結果、フロント酸化触媒７においてパティキュレートが酸化燃焼されるため、酸化触媒５にパティキュレートが付着することを防止することができる。また、パティキュレートが燃焼することで、さらに排気Ｅの温度が上昇する。したがって、酸化触媒５は、触媒昇温制御において、温度があがった排気Ｅによって昇温される。
【００２６】
酸化触媒５は、所定の温度に達すると活性化され、活性化された酸化触媒５は、触媒反応でさらに熱を発生し、温度が上がる。制御装置１０は、酸化触媒５が活性化されて未燃燃料を酸化させるに十分な温度Ｋ１に、酸化触媒５の温度として温度計測器６で検出される温度Ｋが達したことを確認する（Ｓ５）。そして、温度Ｋが再生温度Ｋ１と同じかそれ以上になったことが確認されると、制御装置１０は、触媒昇温制御を終了する（Ｓ６）。
【００２７】
次に、制御装置１０は、フィルタ昇温制御を開始する（Ｓ７）。制御装置１０は、流路切換装置９を作動させ、触媒側バルブＡを閉じ、バイパス側バルブＢを開く（Ｓ８）。これによって、エンジン２から排出される排気Ｅは、図１に示すようにバイパス通路８を通って酸化触媒５へと流れる。流路切換装置９を作動させた後、制御装置１０は、例えば排気行程で燃料噴射ノズル（図示せず）から燃料を供給するポスト噴射を実施するか、酸化触媒５までの排気経路３に別途設けたノズルから燃料を供給することによって、酸化触媒５の上流において排気Ｅに未燃燃料が含まれるように、未燃燃料添加を実施する（Ｓ９）。未燃燃料は、触媒昇温制御で昇温された酸化触媒５において燃焼される。つまり、温度Ｋ１は、未燃燃料が酸化燃焼する温度以上である。未燃燃料が燃焼することで、フィルタ４の入口における排気Ｅの温度は、上昇する。パティキュレートは、雰囲気温度が約５５０℃以上の場合にはＯ２と反応して燃焼するようになる。したがって、温度Ｋが約５５０℃以上２上昇すると、フィルタ４に捕集されたパティキュレートをＯ２と反応させて強制的に燃焼させることができ、フィルタからパティキュレートが効率良く除去される。
【００２８】
制御装置１０は、パティキュレートがＯ２酸化される温度Ｋ２またはそれ以上の温度に温度検出器６で検出される温度Ｋが維持されている時間ｔが、フィルタ４に捕集されたパティキュレートをし除去しきるように予め設定された再生時間ｔ２を経過したことを制御装置１０に内蔵されるタイマで計測し（Ｓ１０）、未燃燃料添加を停止する（Ｓ１１）。再生時間ｔ２は、パティキュレートが燃焼しきる時間に設定されているので、フィルタ４に捕集されたパティキュレートを確実に除去することができる。なお、再生時間ｔ２は、燃焼温度によって変わる変数であっても良い。また、再生時間ｔ２は、反応速度や排気Ｅ中の成分に応じて変化する変数であっても良い。
【００２９】
制御装置１０は、未燃燃料の添加を停止した後、フィルタ昇温制御を終了する（Ｓ１２）。そして、エンジン２は、通常運転状態に戻る（Ｓ１）。また、制御装置１０は、再び、強制再生インターバル時間ｔ１の計測を行なう（Ｓ２）。
【００３０】
なお、フィルタ４の再生を開始する間隔は、温度計測器６が検出する温度情報とタイマによって計測された強制再生インターバル時間ｔ１とを組み合わせて決定しても良い。また、通常運転状態において、排気浄化装置１は、酸化触媒５を通過する排気ＥがパティキュレートをＮＯ２燃焼させる温度以上になることで、フィルタ４を連続再生する。なお、上述の一連の制御をタイムチャート図で表すと図４のようになる。
【００３１】
以上のように、排気浄化装置１は、酸化触媒５よりも上流の排気通路３にフロント酸化触媒７を設けるとともに、フロント酸化触媒７よりも上流側と下流側とを連通するバイパス通路８を設けている。フィルタ４を強制的に再生する場合、エンジン２の排気Ｅの温度を上昇させ、この排気Ｅがフロント酸化触媒７を通過するように流路切換装置９を作動させ、フロント酸化触媒７で排気Ｅ中のパティキュレートを酸化しながら酸化触媒５を昇温させる。フロント酸化触媒７は、エンジン２に近い側に設けられ酸化触媒５に比べて容積が小さいので、短時間で昇温され、排気温度を上昇させることによって生じるパティキュレートは、フロント酸化触媒７によって、効率良く燃焼されるので、酸化触媒５に付着することは無い。また、フロント酸化触媒７での反応熱が排気Ｅをさらに昇温するので、酸化触媒５の昇温が促進される。そして、酸化触媒５の温度が未燃燃料を酸化させるために十分な温度に昇温されると、排気通路３がフロント酸化触媒７側からバイパス通路８側に切換えられ、さらに、酸化触媒５の上流に未燃燃料を供給され、パティキュレートの燃焼温度以上に酸化触媒５が昇温されるので、フィルタ４に捕集されたパティキュレートは、効率よく燃焼除去される。すなわち、排気浄化装置１は、効率よく再生される。
【００３２】
【発明の効果】
本発明にかかる排気浄化装置によれば、酸化触媒の酸化性能の低下を抑制して連続再生性能を確保しながら強制再生性能も向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１の実施形態の排気浄化装置を示す図。
【図２】図１の排気浄化装置が触媒昇温制御時である状態を示す図。
【図３】図１の排気浄化装置の再生サイクルを示すフローチャート。
【図４】図１の排気浄化装置の再生サイクルを示すタイミングチャート。
【符号の説明】
１…排気浄化装置
２…エンジン（内燃機関）
３…排気通路
４…フィルタ
５…酸化触媒
７…フロント酸化触媒
８…バイパス通路
９…流路切換装置
１０…制御装置（強制再生制御手段）
【図１】
2004176571.tif 000003
【図２】
2004176571.tif 000004
【図３】
2004176571.tif 000005
【図４】
2004176571.tif 000006