(57)【要約】【課題】エンジンの排気系に酸化触媒を備える排気浄化装置において、エンジンの排気温度が高い場合においても、排気をバイパスさせることなく、酸化触媒を通過する排気の流れを確保しつつ、酸化触媒の浄化性能を生かしながら、サルフェートの生成量を効率よく低減できるようにする。【解決手段】エンジンの回転数に応じた最大燃料噴射量を制限する手段（S1）、触媒床温度を検出する手段(S2)、触媒床温度が許容温度の上限値よりも所定値だけ低い設定温度に達するとそのときのエンジン回転数に応じた最大燃料噴射量の制限を触媒床温度が許容温度の上限値を超えないように減側へ制御する手段（S3およびS4）、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの排気系に酸化触媒を備える排気浄化装置において、エンジンの回転数に応じた最大燃料噴射量を制限する手段、触媒床温度を検出する手段、エンジン回転数に応じた最大燃料噴射量の制限を触媒床温度が許容温度の上限値を超えないように減側へ制御する手段、を備えることを特徴とする排気浄化装置。
【請求項２】
エンジンの排気系に酸化触媒を備える排気浄化装置において、エンジンの回転数に応じた最大燃料噴射量を制限する手段、触媒床温度を検出する手段、触媒床温度が許容温度の上限値よりも所定値だけ低い設定温度に達するとそのときのエンジン回転数に応じた最大燃料噴射量の制限を触媒床温度が許容温度の上限値を超えないように減側へ制御する手段、を備えることを特徴とする排気浄化装置。
【請求項３】
エンジン回転数に応じた最大燃料噴射量の制限を触媒床温度が許容温度の上限値を超えないように減側へ制御する手段は、最大燃料噴射量の減側への制御に伴う燃料噴射の減量分に相応するトルクの低下を補償する手段、を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の排気浄化装置。
【請求項４】
エンジンの排気系は、酸化触媒の下流に介装されるNOx還元触媒、NOx還元触媒の反応を促進する還元剤の添加手段、を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の排気浄化装置。
【請求項５】
還元剤の添加手段は、NOx還元触媒の入口部に尿素水を噴射する手段、を備えることを特徴とする請求項４に記載の排気浄化装置。
【請求項６】
エンジンの排気系は、酸化触媒の下流を流れる排気中のPMを捕集するフィルタ、フィルタの温度を積極的に高める手段、を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、エンジン（内燃機関）に適用される排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンの排気系に酸化触媒を備える排気浄化装置においては、エンジンの排気温度が高くなると、酸化触媒が排気中のSO2をSO3（サルフェート；硫酸ミスト）に酸化する量を急増させる傾向がある。そのため、特許文献１および特許文献２においては、酸化触媒を迂回するバイパス通路と、通常は酸化触媒への経路（排気流路）を開いてバイパス通路への経路（排気流路）を閉じる一方で排気温度が所定値（酸化触媒上のサルフェートの生成量が急増し始める温度条件）以上になると酸化触媒への経路（排気流路）を閉じてバイパス通路への経路（排気流路）を開くように制御する手段と、を備えるものが開示される。
【特許文献１】特開平６−５０１２６号
【特許文献２】特開２００１−３１７３４６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このような従来例においては、バイパス通路への経路が開かれ、酸化触媒への経路が閉じられると、酸化触媒を排気が迂回して流れるので、その間はサルフェートの生成量は抑えられるものの、SOF（可溶有機成分）などに対する酸化触媒の浄化性能も得られなくなってしまう。また、エンジンの排気系に酸化触媒を迂回するバイパス通路の追加が必要になり、重量増加およびコストアップを招くばかりでなく、レイアウトの難度を高める要因となりかねないのである。
【０００４】
この発明は、このような課題を踏まえつつ、その有効な対策手段の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
第１の発明は、エンジンの排気系に酸化触媒を備える排気浄化装置において、エンジンの回転数に応じた最大燃料噴射量を制限する手段、触媒床温度を検出する手段、エンジン回転数に応じた最大燃料噴射量の制限を触媒床温度が許容温度の上限値を超えないように減側へ制御する手段、を備えることを特徴とする。
【０００６】
第２の発明は、エンジンの排気系に酸化触媒を備える排気浄化装置において、エンジンの回転数に応じた最大燃料噴射量を制限する手段、触媒床温度を検出する手段、触媒床温度が許容温度の上限値よりも所定値だけ低い設定温度に達するとそのときのエンジン回転数に応じた最大燃料噴射量の制限を触媒床温度が許容温度の上限値を超えないように減側へ制御する手段、を備えることを特徴とする。
【０００７】
第３の発明は、第１の発明または第２の発明に係る排気浄化装置において、エンジン回転数に応じた最大燃料噴射量の制限を触媒床温度が許容温度の上限値を超えないように減側へ制御する手段は、最大燃料噴射量の減側への制御に伴う燃料噴射の減量分に相応するトルクの低下を補償する手段、を備えることを特徴とする。
【０００８】
第４の発明は、第１の発明または第２の発明に係る排気浄化装置において、エンジンの排気系は、酸化触媒の下流に介装されるNOx還元触媒、NOx還元触媒の反応を促進する還元剤の添加手段、を備えることを特徴とする。
【０００９】
第５の発明は、第４の発明に係る排気浄化装置において、還元剤の添加手段は、NOx還元触媒の入口部に尿素水を噴射する手段、を備えることを特徴とする。
【００１０】
第６の発明は、第１の発明または第２の発明に係る排気浄化装置において、エンジンの排気系は、酸化触媒の下流を流れる排気中のPMを捕集するフィルタ、フィルタの温度を積極的に高める手段、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
第１の発明においては、エンジンの排気温度の上昇と共に触媒床温度も上昇するが、触媒自体の熱容量のために触媒床温度の上昇は排気温度の上昇に遅れて推移する。エンジンの排気温度が高くなると、触媒床温度が許容温度の上限値を超えないように排気温度を調整するべく、最大燃料噴射量の制限が減側へ制御されるので、許容温度の上限値をサルフェートの生成量が急増し始める温度条件に設定すると、酸化触媒を通過する排気の流れを確保しつつ、酸化触媒の浄化性能を生かしながら、サルフェートの生成量を抑えることが可能となる。
【００１２】
第２の発明においては、エンジンの排気温度の上昇と共に触媒床温度も上昇するが、触媒自体の熱容量のために触媒床温度の上昇は排気温度の上昇に遅れて推移する。許容温度の上限値よりも所定値だけ低い設定温度が与えられ、触媒床温度が設定値に達すると、最大燃料噴射量の制限が減側へ制御されるので、触媒床温度が許容温度の上限値を超えないように排気温度の適確な調整が可能となる。
【００１３】
第３の発明においては、触媒床温度が許容温度の上限値を超えないように排気温度を調整するべく、最大燃料噴射量の制限が減側へ制御され、燃料噴射量が削減されると、その減量分に相応するトルクが補償される。そのため、運転中における、最大燃料噴射量の制限に対する減側への制御に伴う、エンジンのトルク変動（出力不足）の発生を防止することができる。最大燃料噴射量の減少分に相応するトルクが補償する手段については、可変ノズル式ターボチャージャ（VNT）またはEGRバルブ、燃料噴射時期または燃料噴射圧力または多段噴射、等を対象にその特性（マップ）を変更することにより、最大燃料噴射量の制限に対する減側への制御に伴う、エンジンのトルク変動（出力不足）の発生を抑えるように制御する手段が考えられる。
【００１４】
第４の発明においては、酸化触媒上での酸化反応により排気中のNOxはNOよりも酸化力の強いNO2の濃度が高くなり、この排気をNOx還元触媒に導くことにより、NOx還元触媒上での還元剤による還元反応が促進される。サルフェートの生成量を抑えるべく、最大燃料噴射量の制限を減側へ制御するのであり、酸化触媒を迂回するバイパス通路へ排気を導く制御でないので、NOxの浄化性能についても、常に高く確保しえるのである。
【００１５】
第５の発明においては、NOx還元触媒に添加される尿素水は、所定の温度条件の下でアンモニアになり、NOx還元触媒上での還元反応によりNOxをH2OとN2に効率よく変換させる。
【００１６】
第６の発明においては、酸化触媒により排気中のNOをNO2に変化させてフィルタに捕集されたPMを比較的低い排気温度で燃焼させることができる。また、フィルタの温度を積極的に昇温させることにより、フィルタに堆積するPMの燃焼効率を高められる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１において、１０はディーゼルエンジンであり、コモンレール式の燃料噴射装置１１が採用される。エンジン１０の吸気通路１２に可変ノズル式ターボチャージャ１３（VNT）のコンプレッサ，その下流にインタクーラ１４が介装される。エンジン１０の排気通路１５に可変ノズル式ターボチャージャ１３のタービン，その下流に前段の酸化触媒１６および後段のNOx還元触媒１７が直列に介装される。
【００１８】
１８は吸気系のインタクーラ１４下流と排気系の可変ノズル式ターボチャージャ１３下流との間を接続するEGR（排気環流）通路であり、EGRガスを冷却するEGRクーラ１９およびEGR量を制御するEGRバルブ２０が介装される。コモンレール式燃料噴射装置１１は、コモンレールに燃料を蓄圧する高圧ポンプと、コモンレールに各気筒の噴射ノズルを接続する燃料供給管と、を備える。
【００１９】
酸化触媒１６は、触媒を担持するハニカム構造体に形成され、ハニカム構造体の格子状に区画される流路を通過する排気に含まれるNOxやHC等を酸化処理するものであり、ケーシングの内部に収装される。NOx還元触媒１７は、酸化触媒１６と同様のフロースルー方式のハニカム構造体に形成され、酸素共存下でも選択的にNOxを還元剤と反応させる性質を備えるもの（選択還元型触媒）に構成され、ケーシングの内部に収装される。NOx還元触媒１７の入口付近に還元剤を触媒１７へ向けて噴射するノズル２１が配置される。
【００２０】
外部に還元剤を貯蔵するタンク２２が装備され、ノズル２１とタンク２２との間を接続する供給管２３の途中にポンプ２４が介装される。ポンプ２４は、コントロールユニット３０（ECU）の指令に基づいて、NOx還元触媒１７の温度条件が活性温度領域のときにタンク２２の還元剤をノズル２１から触媒１７へ噴射するように制御される。この例においては、還元剤として尿素水が使用される。尿素水は、ノズル２１から噴射されると、所定の温度条件の下でアンモニアになり、NOx還元触媒１７上での還元反応によりNOxをH2OとN2に効率よく変換する。
【００２１】
コントロールユニット３０においては、尿素水の添加（ポンプの駆動）を制御する手段，運転状態（エンジン回転数およびエンジン負荷）に応じて燃料噴射装置１１（燃料噴射量および燃料噴射時期）を制御する手段、酸化触媒１６でのサルフェートの生成量を積極的に抑制する手段（図２、参照）、を備える。エンジン１０の排気（燃焼ガス）は、燃料（軽油）中の硫黄分に起因するSO2が存在するため、酸化触媒１６上の反応（2SO2＋O2＋2H2O→2H2SO4）によりサルフェート（硫酸ミスト）が生成され、その生成量は触媒床温度が所定値を超えると急増する傾向がある（図４、参照）。そのため、サルフェートの生成量を積極的に抑制する手段においては、エンジン回転数に応じた最大燃料噴射量を制限する手段（図２のS1）、酸化触媒の触媒床温度を検出する手段（図２のS2）、エンジン回転数に応じた最大燃料噴射量の制限を酸化触媒の触媒床温度が許容温度の上限値（サルフェートの生成量が急増し始める触媒床温度）を超えないように制御する手段（図２のS3およびS4）、が設定される。
【００２２】
コントロールユニット３０の制御に必要な検出手段として、エンジン回転数を検出するクランク角センサ３１、エンジン負荷（燃料噴射量）を検出するアクセル開度センサ３２、酸化触媒１６の触媒床温度を検出する温度センサ３３、が備えられる。図１において、３５は可変ノズル式ターボチャージャ１３（VNT）を制御する手段であり、３６はEGRバルブ２０を制御する手段であり、これらは最大燃料噴射量の制限を減側へ調整する制御が効くと、燃料噴射量の減小するため、その減量分に相応するトルクの低下を補償するべく、各制御対象（VNT１３の可変ノズル，EGRバルブ２０）の特性（マップ）を変更する機能も追加される。
【００２３】
エンジン１０の排気中に含まれるNOxは、NOがその大部分を占めるが、酸化触媒１６において、NOが酸化され、酸化力の強いNO2を生成する。このようなNO２を高濃度に含む排気がNOx還元触媒１７へ導かれるので、NOx還元触媒１７での尿素水による還元反応が促進されるのである（図５、参照）。酸化触媒１６においては、PM（パティキュレート）にカウントされるSOF（可溶有機成分）についても、これを効率よく燃焼除去する作用があり、酸化触媒１６を通過後の排気中におけるSOFの低減が得られる。
【００２４】
図２は、コントロールユニット３０の制御内容（サルフェートの生成量を抑制する手段）を説明するフローチャートであり、S1においては、エンジン回転数に応じた最大燃料噴射量を通常の制限に制御する。S2においては、温度センサ２１の検出信号（触媒床温度）を読み込む。S3においては、触媒床温度≧しきい値Ｂ（図３の最大燃料噴射量減側制御開始触媒床温度）かどうかを判定する。しきい値については、触媒自体の熱容量のために触媒床温度の上昇が排気温度の上昇に遅れて推移することを考慮して許容温度の上限値Ａ（図３の最高酸化触媒床温度）よりも所定値だけ低い温度条件に設定される。
【００２５】
S3の判定がyesのときは、S4へ進み、触媒床温度が許容温度の上限値を超えるのを抑えるべく最大燃料噴射量の制限を減側に制御する。S3の判定がnoのときは、S1へ戻るのであり、最大燃料噴射量の制限が通常に保持される。S4の処理が開始されると、S2〜S4が繰り返され、S3の判定がnoになると、最大燃料噴射量の制限を減側に制御する処理が解除され、最大燃料噴射量の制限が通常に戻されるのである。
【００２６】
図３は、コントロールユニット３０の制御内容（サルフェートの生成量を抑制する手段）を説明するための、最大燃料噴射量の制限と排気温度と触媒床温度との関係を例示するタイムチャートである。酸化触媒１６の触媒床温度は、触媒自身の熱容量のために排気温度の変化に遅れつつ緩やかに推移する。ａ点において、アクセル開度の急変により、排気温度の上昇が大きくなり、触媒床温度も排気温度の急変を追うように上昇してゆく。
【００２７】
b点において、触媒床温度が許容温度の上限値Ａ（最高酸化触媒床温度）よりも所定値だけ低い設定温度Ｂ（最大燃料噴射量減側制御開始触媒床温度）に達すると、触媒床温度が許容温度の上限値Ａを超えるのを抑えるべく、最大燃料噴射量の制限を減側へ調整する制御が開始される。この制御により燃料噴射量が減小すると、排気温度が応答よく低下し始めるのに対し、触媒床温度は応答が遅れ、さらに上昇し続けるが、その勾配は次第に緩やかになり、許容温度の上限値Ａを超えないように抑えられながら安定的に推移するようになる。
【００２８】
その後、ｃ点において、アクセル開度が戻されると、燃料噴射量が減小するため、排気温度が応答よく低下する。触媒床温度も排気温度の低下に遅れて低下し始め、ｄ点において、許容温度の上限値Ａ（最高酸化触媒床温度）よりも所定値だけ低い設定温度Ｂ（しきい値）を下回ると、最大燃料噴射量の制限が通常の制御へ戻されるのである。
【００２９】
このような構成により、エンジンの排気温度が高くなり、触媒床温度が設定値Ｂを超えると、最大燃料噴射量の制限が減側へ制御され、触媒床温度が許容温度の上限値Ａ（サルフェートの生成量が急増し始める温度条件）を超えるのが抑えられるので、酸化触媒１６を通過する排気の流れを確保しつつ、酸化触媒１６の浄化性能（NOxの酸化作用およびSOFの燃焼作用など）を生かしながら、サルフェートの生成量を効率よく低減することができる（図６、参照）。
【００３０】
最大燃料噴射量の制限を減側に調整する制御が効くと、VNT１３の可変ノズルおよびEGRバルブ２０の特性（マップ）が変更され、燃料噴射量の減小分に相応するトルクの低下を補償する制御が行われるので、最大燃料噴射量の制限を減側に調整する制御により、エンジン出力が不足するような事態も避けられるのである。最大燃料噴射量の制限を減側に調整する制御に伴うトルクの低下を補償する制御の対象については、VNT１３の可変ノズルおよびEGRバルブ２０のほか、燃料噴射圧力または燃料噴射時期または多段噴射なども考えられる。
【００３１】
最大燃料噴射量の制限を減側に調整する制御においては、図３の場合、触媒床温度（温度センサ３３の検出信号）の上昇または低下に応じて最大燃料噴射量の制限を減側または増側へ徐々に変化させるリニアな特性に設定されるが、制御の開始時点で調整幅の最大値、通常制御の復帰時点で調整幅の最小値（０）、に制御するようなON-OFF的な特性に設定してもよい。触媒床温度の検出については、触媒床温度を検出する温度センサ３３の代わりに酸化触媒１６の入口温度（排気温度）を検出する温度センサ（図７、参照）または酸化触媒１６の出口温度（排気温度）を検出する温度センサを用いることにより、これらの検出信号から触媒床温度を算出するように設定してもよい。
【００３２】
図８は、NOx還元触媒１７がなく、酸化触媒１６のみにより、排気の浄化を図る例を表すものであり、エンジン回転数に応じた最大燃料噴射量を制限する手段（図２のS1）、酸化触媒１６の触媒床温度を検出する手段（図２のS2）、エンジン回転数に応じた最大燃料噴射量の制限を酸化触媒１６の触媒床温度が許容温度の上限値（サルフェートの生成量が急増し始める触媒床温度）を超えないように制御する手段（図２のS3およびS4）、がコントロールユニット３０Ａに設定される。これにより、エンジン１０の排気温度が高い場合においても、排気をバイパスさせることなく、酸化触媒１６を通過させることにより、酸化触媒１６の浄化性能（HCおよびSOFの燃焼作用など）を生かしながら、サルフェートの生成量を効率よく低減することができる。
【００３３】
図９は、酸化触媒１６の下流にPMを捕集するフィルタ２５（DPF：Diesel Particulate Filter）が介装される。フィルタ２５は、ハニカム構造体に形成され、その格子状に区画される流路（セル）の入口と出口が交互に目封じされる。つまり、入口の目封じされる流路と出口の目封じされる流路とが交互に隣接され、これらを区画する多孔質の隔壁が排気の通過を許容するようになっている。この例においては、隔壁に捕集されるPMの燃焼可能な着火温度を低めに設定するため、触媒再生型フィルタが採用される。
【００３４】
エンジン１０の排気系においては、酸化触媒１６により排気中のNOが酸化力の強いNO2に変化するので、フィルタ２５に捕集されたPMを比較的低い排気温度域で燃焼させることが可能となり、フィルタ２５に堆積するPMの燃焼除去が促進されるのである。PMの燃焼効率を高めるため、フィルタ２５を積極的に昇温させる手段（電気ヒータなど）が設定される。
【００３５】
この例においても、エンジン回転数に応じた最大燃料噴射量を制限する手段（図２のS1）、酸化触媒の触媒床温度を検出する手段（図２のS2）、エンジン回転数に応じた最大燃料噴射量の制限を酸化触媒の触媒床温度が許容温度の上限値（サルフェートの生成量が急増し始める触媒床温度）を超えないように制御する手段（図２のS3およびS4）、をコントロールユニット３０Ｂに適用することにより、排気をバイパスさせることなく、酸化触媒を通過する排気の流れを確保しつつ、酸化触媒の浄化性能（NOxの酸化作用およびSOFの燃焼作用など）を生かしながら、サルフェートの生成量を効率よく低減することができる。
【００３６】
図７において、図１と同一の機能部品については、同一の符号を付ける。図８および図９において、図７と同一の機能部品については、同一の符号を付ける。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】システムの構成を説明する概要図である。
【図２】コントロールユニットの制御内容を説明するフローチャートである。
【図３】コントロールユニットの制御内容を説明するタイムチャートである。
【図４】コントロールユニットの制御内容を説明する特性図である。
【図５】コントロールユニットの制御内容を説明する特性図である。
【図６】コントロールユニットの制御内容を説明する特性図である。
【図７】システムの構成を説明する概要図である。
【図８】システムの構成を説明する概要図である。
【図９】システムの構成を説明する概要図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０  ディーゼルエンジン
１１  コモンレール式燃料噴射装置
１２  吸気通路
１３  可変ノズル式ターボチャージャ（VNT）
１４  インタクーラ
１５  排気通路
１６  酸化触媒
１７  NOx還元触媒
１８  EGR通路
１９  EGRクーラ
２０  EGRバルブ
２１  還元剤の噴射ノズル
２２  還元剤のタンク
２４  還元剤の供給ポンプ
２５  フィルタ（DPF）
３０，３０Ａ，３０Ｂ  コントロールユニット（ECU）
３３，３３Ａ  温度センサ
【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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