(57)【要約】【課題】パティキュレートフィルタの再生時においても、下流側のＮＯX触媒を熱損傷させることなく、排気ガス中のＮＯXを浄化ことができる内燃機関の排気浄化装置及び排気浄化方法を提供する。【解決手段】内燃機関の排気通路中に配置された上流側のパティキュレートフィルタ及び下流側のＮＯX触媒を含み、内燃機関から排出される排気ガスを浄化するための排気浄化装置において、パティキュレートフィルタとＮＯX触媒との間に、ＮＯX触媒に流入する排気ガスの温度を低下させるための熱交換器を備える。熱交換器は、排気通路中に配置することもでき、あるいは、バイパス部を設けて当該バイパス部に配置することもできる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路中に配置された上流側のパティキュレートフィルタ及び下流側のＮＯX触媒を含み、前記内燃機関から排出される排気ガスを浄化するための排気浄化装置において、
前記パティキュレートフィルタとＮＯX触媒との間に、前記ＮＯX触媒に流入する排気ガスの温度を低下させるための熱交換器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】
前記熱交換器を前記排気通路中に備え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】
前記パティキュレートフィルタと前記ＮＯX触媒との間に、前記排気通路から分岐して、再び前記排気通路に合流するバイパス部を備えるとともに、前記バイパス部と排気通路とに流入する排気ガスの量を制御するための流路制御手段を備え、前記熱交換器を、当該バイパス部に配置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４】
前記ＮＯX触媒の入口近傍に温度センサ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】
内燃機関の排気通路中に配置された上流側のパティキュレートフィルタ及び下流側のＮＯX触媒を用いて、前記内燃機関から排出される排気ガスを浄化するための排気浄化方法において、
前記パティキュレートフィルタを再生する際に、当該パティキュレートフィルタを通過した排気ガスを、熱交換器を用いて熱交換させることにより温度を低下させて、前記ＮＯX触媒を通過させることを特徴とする内燃機関の排気浄化方法。
【請求項６】
前記ＮＯX触媒の入口近傍に配置された温度センサによって測定される排気ガスの温度に対応させて、少なくとも一部の前記排気ガスを熱交換させることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の排気浄化方法。
【請求項７】
前記熱交換器が、前記排気通路中に備えられた熱交換器であって、当該熱交換器のスイッチのオンオフ又は熱交換度合いを制御することにより、前記少なくとも一部の排気ガスを熱交換させ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方法。
【請求項８】
前記熱交換器が、前記パティキュレートフィルタとＮＯX触媒との間において、前記排気通路から分岐して、再び前記排気通路に合流するバイパス部に配置されており、前記排気通路とバイパス部とに流入する前記排気ガスの流量を制御するための流路制御手段を制御することにより、前記少なくとも一部の排気ガスを熱交換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方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関から排出される排気ガスの排気浄化装置及び排気浄化方法に関し、特に、排気ガス中のＮＯXを効率的に還元することができる内燃機関の排気浄化装置及び排気浄化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される排気ガス中には、黒煙微粒子（以下、ＰＭと称する）や窒素酸化物（以下、ＮＯXと称する）等が含まれている。そのために、排気ガスの後処理装置として、パティキュレートフィルタ（以下、ＰＭフィルタ又は単にフィルタと称する場合がある）やＮＯX触媒等を設けて、排気ガスを浄化する対策がとられている。
例えば、後処理装置としてＰＭフィルタを備えた場合には、ＰＭフィルタにおいて排気ガス中のＰＭを捕集するとともに、定期的に、バーナで燃焼させたり、酸化触媒を通過させた高温の排気ガスによって燃焼（酸化）させたりすることにより、ＰＭを除去している。また、後処理装置としてＮＯX触媒を備えた場合には、排気ガス中のＮＯやＮＯ2をＮＯX触媒によって吸収するとともに、尿素や生ガス（ＨＣ）等の還元剤を供給して還元反応させ、分解して排出している。
【０００３】
また、ＰＭやＮＯXをともに除去するために、これらのＰＭフィルタとＮＯX触媒とを両方備えた排気浄化装置が開示されている。より具体的には、図８に示すように、ディーゼルエンジン４０１からの排気ガス４０８が流通する排気管４０９途中に、酸化触媒が一体的に担持されたパティキュレートフィルタ４１２を設け、該パティキュレートフィルタ４１２より下流側の排気管４０９途中に、ＮＯX吸蔵還元触媒４１１を設け、パティキュレートフィルタ４１２とＮＯX吸蔵還元触媒４１１との間の排気管４０９途中からバイパスライン４１７を分岐させてＮＯX吸蔵還元触媒４１１より下流側の排気管４０９途中に接続するとともに、該バイパスライン４１７の分岐部に、排気ガス４０８をＮＯX吸蔵還元触媒４１１側あるいはバイパスライン４１７側のいずれかに導くよう切換可能な切換弁４１８を設けた排気浄化装置である（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−２１４１５９号公報  （特許請求の範囲  図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示された排気浄化装置は、パティキュレートフィルタの再生時には、排気ガスを、ＮＯX吸蔵還元触媒をバイパスさせて放出する構成であり、その間、排気ガス中のＮＯXを除去することができないものであった。
一方、パティキュレートフィルタの再生時に、高温の排気ガスをそのままＮＯX触媒中を通過させると、ＮＯX触媒の熱劣化や熱損傷を生じるという問題が残る。
【０００５】
そこで、本発明の発明者らは鋭意努力し、上流のＰＭフィルタ及び下流のＮＯX触媒を備えた排気浄化装置において、ＰＭフィルタの再生時には、ＰＭフィルタを通過した排気ガスの温度を熱交換器によって低下させた上で、ＮＯX触媒を通過させることにより、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、本発明の目的は、ＰＭフィルタの再生時においても、ＮＯX触媒の熱劣化や熱損傷を防止しつつ、排気ガス中のＮＯXを浄化させることができる排気浄化装置及び排気浄化方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によれば、内燃機関の排気通路中に配置された上流側のパティキュレートフィルタ及び下流側のＮＯX触媒を含み、内燃機関から排出される排気ガスを浄化するための排気浄化装置であって、パティキュレートフィルタとＮＯX触媒との間に、ＮＯX触媒に流入する排気ガスの温度を低下させるための熱交換器を備えた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。
【０００７】
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、熱交換器を排気通路中に備えることが好ましい。
【０００８】
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、パティキュレートフィルタとＮＯX触媒との間に、排気通路から分岐して、再び排気通路に合流するバイパス部を備えるとともに、バイパス部と排気通路とに流入する排気ガスの量を制御するための流路制御手段を備え、熱交換器を、当該バイパス部に配置することが好ましい。
【０００９】
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、ＮＯX触媒の入口近傍に温度センサを備えることが好ましい。
【００１０】
また、本発明の別の態様は、内燃機関の排気通路中に配置された上流側のパティキュレートフィルタ及び下流側のＮＯX触媒を用いて、内燃機関から排出される排気ガスを浄化するための排気浄化方法であって、パティキュレートフィルタを再生する際に、当該パティキュレートフィルタを通過した排気ガスを、熱交換器を用いて熱交換させることにより温度を低下させて、ＮＯX触媒を通過させる内燃機関の排気浄化方法である。
【００１１】
また、本発明の内燃機関の排気浄化方法を実施するにあたり、ＮＯX触媒の入口近傍に配置された温度センサによって測定される排気ガスの温度に対応させて、少なくとも一部の排気ガスを熱交換させることが好ましい。
【００１２】
また、本発明の内燃機関の排気浄化方法を実施するにあたり、熱交換器が、排気通路中に備えられた熱交換器であって、当該熱交換器のスイッチのオンオフ又は熱交換度合いを制御することにより、少なくとも一部の排気ガスを熱交換させることが好ましい。
【００１３】
また、本発明の内燃機関の排気浄化方法を実施するにあたり、熱交換器が、パティキュレートフィルタとＮＯX触媒との間において、排気通路から分岐して、再び排気通路に合流するバイパス部に配置されており、排気通路とバイパス部とに流入する排気ガスの流量を制御するための流路制御手段を制御することにより、少なくとも一部の排気ガスを熱交換させることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、上流側のＰＭフィルタと下流側のＮＯX触媒との間に、所定の熱交換器を備えることにより、ＰＭフィルタの再生時等に、ＮＯX触媒に流入する排気ガスの温度を制御することができるために、ＮＯX触媒の熱劣化や熱損傷を防止することができる。
また、ＮＯX触媒に流入する排気ガスの温度を制御できることにより、ＰＭフィルタの再生時においても、排気ガスを、ＮＯX触媒中を通過させることができるため、ＮＯXが大気中に放出されることを防止することができる。
【００１５】
また、本発明の内燃機関の排気浄化方法によれば、ＰＭフィルタの再生時等、ＰＭフィルタを通過した排気ガスの温度が高温になる場合であっても、上流側のＰＭフィルタと下流側のＮＯX触媒との間に設けた所定の熱交換器によって、ＮＯX触媒に流入する排気ガスの温度を制御することにより、ＮＯX触媒の熱劣化や熱損傷を防止することができる。
また、ＮＯX触媒に流入する排気ガスの温度を制御することにより、ＰＭフィルタの再生時においても、排気ガスを、ＮＯX触媒中を通過させることができるため、ＮＯXが大気中に放出されることを防止することができる
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、適宜図面を参照して、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置、及び内燃機関の排気浄化方法に関する実施形態について具体的に説明する。ただし、かかる実施形態は、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。
【００１７】
［第１の実施の形態］
本発明の第１の実施の形態は、内燃機関の排気通路中に配置された上流側のパティキュレートフィルタ及び下流側のＮＯX触媒を含み、内燃機関から排出される排気ガスを浄化するための排気浄化装置及び排気浄化方法において、パティキュレートフィルタとＮＯX触媒との間における排気通路中に、ＮＯX触媒に流入する排気ガスの温度を低下させるための熱交換器を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置及びそのような排気浄化装置を用いた排気浄化方法である。
【００１８】
１．排気浄化装置
（１）基本的構成
本実施形態の内燃機関の排気浄化装置１０は、図１に示すように、内燃機関５の排気通路１１中に配置された、上流側のＰＭフィルタ１３と、下流側のＮＯX触媒１５と、を含むとともに、ＰＭフィルタとＮＯX触媒との間に、所定の熱交換器２０を備えている。
かかる内燃機関の排気浄化装置１０は、内燃機関５から排出される排気ガス中のＰＭをＰＭフィルタによって捕集するとともに、同じく排気ガス中のＮＯX（ＮＯやＮＯ2）をＮＯX触媒によって還元することができる。したがって、排気ガス中から汚染物質を除去した上で、放出させることができる。
以下、それぞれの部位に分けて、詳細に説明する。
【００１９】
（２）内燃機関
排気ガスを排出する内燃機関５としては、ディーゼルエンジンやガソリンエンジンが典型的である。特に、排気浄化装置の取り付けが必須とされるディーゼルエンジンを対象とすることが適している。
また、図１中に示される、内燃機関の運転状態検出手段１７は、内燃機関５の回転数や、燃料噴射量、燃料噴射タイミング等を検出する手段であって、当該検出結果をも考慮して、ＰＭフィルタの再生のタイミングを制御できるように構成してあることが好ましい。
【００２０】
（３）排気通路
また、排気通路１１は、内燃機関の排気口に接続されており、その途中に、ＰＭフィルタ１３やＮＯX触媒１５等が配置される。かかる排気通路１１の断面形状は、円形、楕円、あるいは角柱等、特にその形態は特に制限されるものではない。
【００２１】
（４）ＰＭフィルタ
また、ＰＭフィルタ１３は、公知のものを適宜使用することができ、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とすることができる。
このＰＭフィルタは、排気ガス中のＰＭその他の微粒子を補集して排気ガスを浄化するものである。ただし、ＰＭ等の捕集を続けるにしたがって捕集量が増え、内燃機関の排気圧力が上昇してエンジン性能に悪影響を及ぼすために、定期的に、捕集されたＰＭを強制的に燃焼させて、再生させる必要がある。
【００２２】
例えば、フィルタ１３の上流側に火炎を放射する燃焼バーナを配置して、放射される火炎によって、あるいは、強制的に加熱した排気ガスによって、フィルタに捕集されたＰＭを燃焼（酸化）させることができる。
また、フィルタの上流側に酸化触媒を配置するとともに、当該酸化触媒のさらに上流側に、ＣＯを多く含む不完全燃焼ガスを放射可能なバーナや、燃料ガス（ＨＣ）を噴射可能な噴射装置を備えることにより、ＣＯやＨＣが酸化触媒で酸化される際の酸化熱を利用して排気ガスを昇温させ、当該高温の排気ガスによって、フィルタに捕集されたＰＭを燃焼（酸化）させることができる。また、ＰＭフィルタの上流側に酸化触媒を配置する場合には、フィルタの再生時に、内燃機関でポスト噴射することにより、ＣＯやＨＣを酸化触媒で酸化させ、その酸化熱によって昇温された排気ガスによって、フィルタに捕集されたＰＭを燃焼させることもできる。この酸化触媒は特に制限されるものではなく、公知のもの、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用いることができる。
【００２３】
また、ＰＭフィルタの再生時期については、例えば、ＰＭフィルタの上流側及び下流側に圧力センサを配置するとともに、それらによって測定される圧力差を検証することにより、フィルタの詰まり具合を推定して、タイミングを計ることができる。
なお、フィルタに捕集されたＰＭを、高温の排気ガスで燃焼させるためには、排気ガスを高温状態、例えば、約６００℃以上にする必要がある。
【００２４】
（５）ＮＯX触媒
また、ＮＯX触媒１５についても、公知のものを適宜使用することができ、例えば、アルミナ繊維等の表面や内部に、白金（Ｐｔ）、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、セシウム（Ｃｓ）、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）、ロジウム（Ｒｂ）等の少なくとも一種の元素化合物を担持させることにより構成することができる。
このＮＯX触媒は、排気ガス中のＮＯXを還元して排気ガスを浄化するものである。例えば、排気ガスがリーン状態においてＮＯXを吸蔵するとともに排気ガスをリッチ状態にしてＮＯXを還元し放出するものや、還元剤として尿素を使用してＮＯXを選択的に還元し浄化するものがある。
【００２５】
また、ＨＣや尿素等の還元剤の供給時期については、例えば、ＮＯX触媒の上流側及び下流側にラムダセンサを配置するとともに、それらによって測定される空燃比の差を検証することにより、ＮＯXの吸収量を推定したり、内燃機関の運転状態等に基づき、予め作成したマップを用いたりして、タイミングを計ることができる。
【００２６】
また、このＮＯX触媒は、一般的に、２００〜５００℃の範囲内において活性化し、ＮＯXの還元反応が効率化する一方で、過度に高温状態（例えば、約７００℃を超える値）になると熱によって劣化したり損傷したりしやすくなるという特性を持っている。
【００２７】
また、ＮＯX触媒の下流側に酸化触媒を配置することが好ましい。これによって、ＮＯXの還元反応に必要な量以上の還元剤が供給された場合に、ＨＣや尿素を酸化還元して放出することができるために、大気の汚染を防ぐことができる。すなわち、ＨＣやアンモニアとして放出されることを防止すべく、二酸化炭素や窒素酸化物、水等に分解して放出させることができる。
【００２８】
さらに、還元剤として尿素を用いる場合には、ＮＯX触媒の上流側における、尿素の添加部の上流側に酸化触媒を配置することが好ましい。これによって、排気ガス中に比較的多く含まれるＮＯを酸化させてＮＯ2として、尿素を用いた還元反応速度を最も効率化させるべく、ＮＯとＮＯ2の比率を１：１に近づけることができる。この酸化触媒についても、上述した酸化触媒同様、公知のものを適宜使用することができる。
【００２９】
（６）熱交換器
また、本実施形態の排気浄化装置は、ＰＭフィルタ１３とＮＯX触媒１５との間に、ＰＭフィルタ１３を通過し、ＮＯX触媒１５に流入する排気ガスの温度を制御するための熱交換器２０を備えることを特徴とする。かかる熱交換器２０によって、ＰＭフィルタ１３の再生時等、ＰＭフィルタ１３を通過した排気ガスの温度が著しく高くなっている場合であっても、ＮＯX触媒１５に流入する排気ガスの温度を効率的に低下させて、ＮＯX触媒１５の熱劣化や熱損傷を防止することができる。
【００３０】
この熱交換器の態様としては、図２（ａ）に示すように、冷却水Ｗを排気通路１１の周囲に循環させることにより、排気ガスを冷却させる熱交換器２０Ａや、図２（ｂ）に示すように、排気通路１１に対してファン１４を用いて冷却エアＡを送風することにより排気ガスを冷却させる熱交換器２０Ｂなど、種々の構成が考えられる。
このような冷却水Ｗや冷却エアＡを用いた構成とすることにより、冷却手段の作動状況を制御することにより、排気ガスの冷却度合いを制御することができる。したがって、ＰＭフィルタの再生時期以外に排気ガスが冷却されて、ＮＯX触媒の温度が低下させられ、浄化効率が低下することを防止することができる。また、ＰＭフィルタの再生時等においても、ＮＯX触媒に流入する排気ガスの温度に対応させて、排気ガスの冷却度合いをきめ細かく制御することにより、ＮＯX触媒での浄化効率を好適な状態に保つことができる。
中でも、図２（ａ）に示す冷却水を用いた熱交換器２０Ａとすることにより、冷却効率を著しく向上させることができる。
【００３１】
また、図２（ｃ）に示すように、図２（ａ）や図２（ｂ）の熱交換器と併せて、排気通路１１に複数のフィン部材１２を設けて、排気ガスの熱量を放熱しやすく構成した熱交換器２０Ｃとすることもできる。このようなフィン部材１２を設けた構成であれば、排気ガスの温度を低下させたい場合には、排気通路の断面積が増加しているために効率的に熱交換させることができる一方、排気ガスの温度が比較的低い状態にあり、これ以上温度を低下させたくない場合には、冷却水や冷却エアの供給を中止して、断熱作用をもたせることができる。
【００３２】
（７）温度センサ
また、冷却水や冷却エア等を用いて、作動状態を切り替え可能な熱交換器２０を備えている場合には、図３に示すように、排気通路１１におけるＮＯX触媒１５の上流側に、排気ガスの温度を測定するための温度センサ２１を備えることが好ましい。この温度センサ２１によって測定される排気ガスの温度をもとに、冷却水や冷却エアを用いた熱交換器２０の作動状態を制御することにより、ＮＯX触媒１５に流入する排気ガスの温度を制御して、ＮＯXの浄化効率を好適な状態に保つことができる。
かかる温度センサ２１の配置位置は、熱交換器２０とＮＯX触媒１５との間であれば特に制限されるものではないが、より正確にＮＯX触媒１５に流入する排気ガスの温度を測定できることから、ＮＯX触媒１５の入口近傍に配置することが好ましい。
【００３３】
（８）制御手段
また、冷却水や冷却エア等を用いて、作動状態を切り替え可能な熱交換器２０を備えている場合には、図３に示すように、上述の温度センサ２１によって測定された温度等をもとに、熱交換器２０の作動状態を制御するための制御手段２２を備えることができる。すなわち、ＮＯX触媒１５を活性化温度に維持し、ＮＯXの浄化効率を好適な状態に保つために、冷却水や冷却エア等の導入量を制御するための制御手段２２である。
例えば、ＰＭフィルタの再生時に、フィルタを通過し昇温された排気ガスを熱交換器によって冷却したものの、排気ガスの温度が活性化温度以下まで低下した場合等には、熱交換器のスイッチをオフにしたり、作動状態を弱くしたりして、排気ガスの温度を若干昇温させる。このように、熱交換器の作動状態を切り替えて、ＮＯX触媒に流入する排気ガスの温度が所定範囲内となるように制御することにより、ＮＯX触媒におけるＮＯXの浄化効率を好適な状態に保つことができる。
【００３４】
また、制御手段は、内燃機関の回転数、燃料噴射量、噴射タイミング等の運転状態や、ＰＭフィルタにおけるＰＭの堆積量、ＰＭフィルタの上流側の空燃比等のデータに基づいて、あらかじめ排気ガス温度を予測した上で、熱交換器に対して信号を送るように構成することもできる。
【００３５】
２．排気浄化方法
次に、上述した本実施形態の排気浄化装置１０を用いて、排気ガス中のＰＭ及びＮＯXを浄化する排気浄化方法について詳細に説明する。
かかる内燃機関の排気浄化方法は、ＰＭフィルタを再生する際に、当該ＰＭフィルタを通過した排気ガスを、熱交換器を用いて熱交換させることにより温度を低下させて、ＮＯX触媒を通過させることを特徴とする。
なお、以下の説明においては、熱交換器として、冷却水を用いて排気ガスの温度を低下させる構成の熱交換器を用いた例について説明する。
【００３６】
まず、内燃機関の運転中に、排出された排気ガスを、ＰＭフィルタを通過させた後、ＮＯX触媒を通過させることにより、ＰＭの捕集あるいはＮＯXの還元を行う。
このとき、例えば、フィルタの上流側及び下流側の圧力損失を測定し、所定値を超えた場合には、フィルタにおけるＰＭの捕集量が所定量を超えたと判定し、フィルタに捕集されたＰＭを強制的に燃焼（酸化）させることによりフィルタの再生を行う。また、ＮＯX触媒においては、所定の時期に、ＣＯやＨＣや尿素等の還元剤を供給することによりＮＯXを還元反応させ、窒素等に変換して放出する。
【００３７】
このとき、ＰＭフィルタの再生時には、ＰＭを燃焼（酸化）させるために用いられ、フィルタを通過した排気ガスの温度が、高温状態になっているために（約６００〜８００℃）、そのまま下流側のＮＯX触媒に流入させると、ＮＯX触媒を熱劣化あるいは熱損傷させるおそれがある。
そこで、本実施形態の排気浄化方法においては、ＰＭフィルタとＮＯX触媒との間に所定の熱交換器を備えた排気浄化装置を用いており、ＰＭフィルタの再生時には、フィルタを通過した排気ガスを、熱交換器を用いて熱交換させることにより温度を低下させて、ＮＯX触媒を通過させることにより、このような熱損傷等を防止している。
【００３８】
例えば、ＰＭフィルタを再生しない運転状態においては、図４（ａ）に示すように、冷却水を用いた熱交換器２０のスイッチをオフにして作動させないようにしておく。この状態においては、排気ガス中のＰＭはフィルタ１３によって捕集される。また、排気ガス中のＮＯXは、下流側のＮＯX触媒１５で還元され放出される。そして、このような通常運転状態では、排気ガスの温度は、一般的に１００〜４００℃の範囲内にあり、ＮＯX触媒が熱劣化あるいは熱破損することがない。
【００３９】
次いで、ＰＭフィルタの再生時には、燃焼バーナ等を用いて、フィルタに捕集されたＰＭを強制的に燃焼させる。このとき、フィルタを通過し、ＮＯX触媒に流入する排気ガスは、かなりの高温状態となる。例えば、ＮＯX触媒の入口付近での温度が、６００℃以上になる場合がある。そこで、図４（ｂ）に示すように、冷却水を用いた熱交換器２０のスイッチをオンにし、排気通路１１の周囲に対して冷却水Ｗを供給する。これによって、捕集されたＰＭを燃焼させ、フィルタ１３を通過した排気ガスの温度を低下させてＮＯX触媒１５に流入させることができる。したがって、ＮＯX触媒の熱劣化や熱損傷を防止することができる。また、このように制御した場合であっても、排気ガスはＰＭフィルタ及びＮＯX触媒の両方を通過するために、そのまま大気中に放出されることがない。
なお、ＮＯX触媒の入口近傍に配置された温度センサによって排気ガスの温度を測定することにより、熱交換器のスイッチをオンにするタイミングを正確に判断することができる。
【００４０】
また、ＰＭフィルタの再生時において、熱交換器を作動させている状態で、引き続き、ＮＯX触媒の入口近傍に配置した温度センサによって、ＮＯX触媒に流入する排気ガスの温度を測定する。そして、ＮＯX触媒に流入する排気ガスの温度が低下しすぎたような場合には、図４（ｃ）に示すように、再び、熱交換器２０のスイッチをオフにするか、あるいは、冷却水Ｗの流量や温度を変えたりすることにより、ＮＯX触媒１５に流入する排気ガスの温度を上昇させるように制御する。これによって、ＮＯXの熱損傷等を防止すべく排気ガスの温度を低下させる一方、ＮＯXの浄化効率までも低下させることがないように維持することができる。
このスイッチのオンオフの動作や、冷却水の流量及び温度の制御は、ＮＯX触媒に流入する排気ガスの温度に対応させて、繰返し行うこともできる。
【００４１】
次いで、ＰＭフィルタの再生が終了した場合には、フィルタを通過した排気ガスの温度も１００〜４００℃程度に戻るために、熱交換器を用いて温度を低下させる必要がないために、熱交換器のスイッチをオフにし、図４（ａ）の状態にする。
【００４２】
以上のように、本実施形態の排気浄化方法によれば、ＰＭフィルタの再生時等、ＮＯX触媒に流入する排気ガスの温度が所定温度を超える場合に、ＰＭフィルタを通過した排気ガスを、熱交換器を用いて温度を低下させてＮＯX触媒に流入させることにより、ＮＯX触媒の熱劣化や熱損傷を防止することができる。
また、ＮＯX触媒に流入する排気ガスの温度を測定し、当該温度に対応させて、熱交換器のスイッチのオンオフや、冷却水又は冷却エア等の流量を制御することにより、ＮＯX触媒の浄化率の低下を抑制することができる。
【００４３】
［第２の実施の形態］
本発明の第２の実施の形態は、内燃機関の排気通路中に配置された上流側のパティキュレートフィルタ及び下流側のＮＯX触媒を含み、内燃機関から排出される排気ガスを浄化するための排気浄化装置及び排気浄化方法において、パティキュレートフィルタとＮＯX触媒との間に、排気通路から分岐して、再び排気通路に合流するバイパス部を備えるとともに、バイパス部と排気通路とに流入する排気ガスの量を制御するための流路制御手段を備え、熱交換器を、当該バイパス部に配置することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置及びそのような排気浄化装置を用いた排気浄化方法である。
以下、本実施形態の内燃機関の排気浄化装置及び排気浄化方法について、第１の実施の形態と共通する点については説明を省略し、異なる点を中心に説明する。
【００４４】
１．排気浄化装置
（１）基本的構成
本実施形態の排気浄化装置における内燃機関の排気浄化装置１１０は、図５に示すように、内燃機関１０５の排気通路１１１中に配置された、上流側のＰＭフィルタ１１３と、下流側のＮＯX触媒１１５と、を含むとともに、ＰＭフィルタ１１３とＮＯX触媒１１５との間に、所定のバイパス部１２３を備えるとともに、バイパス部１２３と排気通路１１１とに流入する排気ガスの量を制御するための流量割合制御手段１１９を備え、熱交換器１２０が、当該バイパス部１２３に配置されている。
かかる内燃機関の排気浄化装置１１０は、第１の実施の形態の排気浄化装置と同様、排気ガス中からＰＭやＮＯX等の汚染物質を除去した上で、放出させることができる。
本実施形態の排気浄化装置における、内燃機関１０５や、排気通路１１１、ＰＭフィルタ１１３、ＮＯX触媒１１５、熱交換器１２０の種類、温度センサ１２１については、第１の実施の形態の排気浄化装置に備えられたものと同様の構成とすることができるために、ここでの説明を省略する。
【００４５】
（２）バイパス部
本実施形態の内燃機関の排気浄化装置１１０における排気通路１１１には、ＰＭフィルタ１１３とＮＯX触媒１１５との間に、排気通路１１１から分岐して、再び排気通路１１１に合流するバイパス部１２３を備えている。また、かかる排気浄化装置１１０は、排気通路１１１及びバイパス部１２３のそれぞれを通過する排気ガスの流量割合を制御するための流量割合制御手段１１９を備えている。かかるバイパス部１２３を備えることにより、内燃機関１０５から排出され、排気通路１１１中を通過してくる排気ガスの一部又は全部を、熱交換器１２０へ流入させることが可能となる。また、流量割合制御手段１１９を備えていることにより、排気ガスを、排気通路１１１とバイパス部１２３とにそれぞれ割合を制御して流入させることができる。したがって、熱交換器１２０を用いて熱交換させる排気ガスの量を制御して、ＮＯX触媒１１５に流入する排気ガスの温度をきめ細かく制御することができる。
【００４６】
例えば、フィルタを通過した排気ガスの温度がかなりの高温状態になっており、排気ガスの温度を相当程度低下させたい場合には、フィルタを通過した排気ガスを、すべてバイパス部側を通過させることにより、排気ガスの温度を効率的に低下させることができる。
逆に、フィルタを通過した排気ガスの温度が通常運転状態時の排気ガス温度以下であれば、排気ガスの温度を低下させる必要がないばかりか、低下させることにより、ＮＯXの浄化効率の低下を招く必要もあることから、フィルタを通過した排気ガスを、すべて排気通路側を通過させる。すなわち、排気ガスを熱交換させる必要がない。
一方、フィルタを通過した排気ガスの温度が、ＮＯX触媒の耐熱温度近辺を推移するような場合には、流量割合制御手段によって、排気通路側及びバイパス部側を適当な割合で通過させることにより、それぞれの側を通過した排気ガスが合流した状態での排気ガスの温度を、ＮＯX触媒におけるＮＯXの浄化効率を好適な状態で維持できるように制御する。
【００４７】
なお、かかるバイパスの径や長さ、形状等については特に制限されるものではない。また、バイパス部の途中に配置された熱交換器は、冷却水や冷却エアを用いた構成とすることもできるため、第１の実施の形態で説明したとおり、流量割合制御手段の制御と併せて、冷却水や冷却エアの流量を制御することにより、さらにきめ細かく排気ガスの温度を制御することができる。
【００４８】
（３）流量割合制御手段
また、本実施形態の排気浄化装置１０において、ＮＯX触媒１１５の入口近傍に配置された温度センサ１２１によって測定された温度等をもとに、排気通路１１１側及びバイパス部１２３側を流れる排気ガスの流量割合を設定するための流量割合制御手段１１９が備えられている。この流量割合制御手段１１９は、例えば、図５に示すように、排気通路１１１及びバイパス部１２３の双方あるいはいずれか一方に設けた弁部１２８と、ＮＯX触媒１１５に流入する排気ガスの温度に対応させて、ＮＯX触媒の熱劣化や熱損傷を生じさせない程度の温度に維持すべく、それぞれの弁部１２８の開度を制御するための制御手段１２９とから構成することができる。
【００４９】
図５に示す流量割合制御手段の例における弁部１２８としては、図６（ａ）又は（ｂ）に示すような回転可能な弁体１２８Ａ、１２８Ｂや、図６（ｃ）に示すようなシャッタ部材１２８Ｃ等を用いて構成することができる。
また、かかる弁部の開度を調整するための制御手段は、図５に示すように、ＮＯX触媒１５の入口近傍に配置された温度センサ１２１によって排気ガスの温度を直接的に測定し反映させて、弁部１２８に対して信号を送るように構成することができる。あるいは、内燃機関の回転数、燃料噴射量、噴射タイミング等の運転状態や、ＰＭフィルタにおけるＰＭの堆積量、ＰＭフィルタの上流側の空燃比等のデータに基づいて、あらかじめ排気ガス温度を予測した上で、弁部に対して信号を送るように構成することもできる。
【００５０】
２．排気浄化方法
次に、上述した本実施形態の排気浄化装置１１０を用いて、排気ガス中のＰＭ及びＮＯXを浄化する排気浄化方法について詳細に説明する。
本実施形態の内燃機関の排気浄化方法は、第１の実施の形態の排気浄化方法と異なり、ＰＭフィルタを再生する際に、当該ＰＭフィルタを通過した排気ガスの一部又は全部を、バイパス部側を通過させることにより、バイパス部の途中に配置された熱交換器を用いて熱交換させることにより温度を低下させて、ＮＯX触媒を通過させることを特徴とする。
【００５１】
まず、内燃機関の運転中に、排出された排気ガスを、ＰＭフィルタを通過させた後、ＮＯX触媒を通過させることにより、ＰＭの捕集あるいはＮＯXの還元を行う。
このとき、例えば、フィルタの上流側及び下流側の圧力損失を測定し、所定値を超えた場合には、フィルタにおけるＰＭの捕集量が所定量を超えたと判定し、フィルタに捕集されたＰＭを強制的に燃焼（酸化）させることによりフィルタの再生を行う。また、ＮＯX触媒においては、所定の時的に、ＣＯやＨＣや尿素等の還元剤を供給することによりＮＯXを還元反応させ、窒素等に変換して放出する。
【００５２】
このとき、ＰＭフィルタの再生時には、ＰＭを燃焼（酸化）させるために用いられ、フィルタを通過した排気ガスの温度が、高温状態になっているために（約６００〜８００℃）、そのまま下流側のＮＯX触媒に流入させると、ＮＯX触媒を熱劣化あるいは熱損傷させるおそれがある。
そこで、本実施形態の排気浄化方法においては、ＰＭフィルタを通過した排気ガスの一部又は全部を、バイパス部を通過させ、当該バイパス部の途中に配置された熱交換器を用いて熱交換させることにより排気ガスの温度を低下させて、ＮＯX触媒を通過させることにより、このような熱損傷等を防止している。
【００５３】
例えば、ＰＭフィルタを再生しない運転状態においては、図７（ａ）に示すように、熱交換器１２０が配置されたバイパス部１２３に排気ガスを流入させないように、流量割合制御手段１１９を制御する。この状態においては、排気ガス中のＰＭはフィルタによって捕集される。また、排気ガス中のＮＯXは、下流側のＮＯX触媒によって還元され放出される。そして、このような通常運転状態では、排気ガスの温度は、一般的に１００〜４００℃の範囲内にあり、ＮＯX触媒が熱劣化あるいは熱破損することがない。
【００５４】
次いで、ＰＭフィルタの再生時には、燃焼バーナ等を用いて、フィルタに捕集されたＰＭを強制的に燃焼させる。このとき、フィルタを通過し、ＮＯX触媒に流入する排気ガスは、かなりの高温状態となる。例えば、ＮＯX触媒の入口付近での温度が、６００℃以上になる場合がある。そこで、図７（ｂ）に示すように、流量割合制御手段１１９により、すべての排気ガスをバイパス１２３側を通過させて、熱交換器１２０によって温度を低下させた上で、ＮＯX触媒１１５に流入させる。これによって、捕集されたＰＭを燃焼させ、フィルタを通過した排気ガスの温度を低下させてＮＯX触媒に流入させることができる。したがって、ＮＯX触媒の熱劣化や熱損傷を防止することができる。また、このように制御した場合であっても、排気ガスはＰＭフィルタ及びＮＯX触媒の両方を通過するために、そのまま大気中に放出されることがない。
なお、ＮＯX触媒の入口近傍に配置された温度センサによって排気ガスの温度を測定することにより、排気ガスをバイパス側に流すタイミングを正確に判断することができる。
【００５５】
また、ＰＭフィルタの再生時において、排気ガスをバイパス部側を通過させている状態で、引き続き、ＮＯX触媒の入口近傍に配置した温度センサによって、ＮＯX触媒に流入する排気ガスの温度を測定する。そして、ＮＯX触媒に流入する排気ガスの温度が低下しすぎたような場合には、図７（ｃ）に示すように、再び、一部の排気ガスが、排気通路１１１側を通過するように流量割合制御手段１１９を制御する。これによって、ＮＯX触媒１１５の熱損傷等を防止すべく排気ガスの温度を低下させる一方、ＮＯXの浄化効率までも低下させることがないように維持することができる。
この流量割合制御手段による、排気通路側とバイパス部側との流量割合の調整は、ＮＯX触媒の入口近傍で測定される排気ガスの温度等に対応させて、繰返し行うこともできる。
【００５６】
次いで、ＰＭフィルタの再生が終了した場合には、フィルタを通過した排気ガスの温度も１００〜４００℃程度に戻るため、熱交換器を用いて温度を低下させる必要がなく、すべての排気ガスが排気通路側を通過するように、流量割合制御手段を制御する。
【００５７】
以上のように、本実施形態の排気浄化方法によれば、ＰＭフィルタの再生時等、ＮＯX触媒に流入する排気ガスの温度が所定温度を超える場合に、ＰＭフィルタを通過した排気ガスの一部又は全部を、バイパス部側を通過させ、熱交換器を用いて冷却させた上でＮＯX触媒に流入させることにより、ＮＯX触媒の熱劣化や熱損傷を防止することができる。
また、ＮＯX触媒に流入する排気ガスの温度を測定し、当該温度に対応させて、排気通路側とバイパス部側とを通過する排気ガスの流量割合を制御することにより、ＮＯX触媒の浄化効率が低下してしまうこともなくすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】第１の実施の形態の排気浄化装置の構成を示す図である。
【図２】熱交換器の構成例を示す図である。
【図３】熱交換器の作動状態を制御するための温度センサ及び制御手段を備えた構成を示す図である。
【図４】第１の実施の形態の排気浄化方法について説明するために供する図である。
【図５】第２の実施の形態の排気浄化装置の構成を示す図である。
【図６】流量割合制御手段の構成例を示す図である。
【図７】第２の実施の形態の排気浄化方法について説明するために供する図である。
【図８】従来の排気浄化装置の構成を説明するために供する図である。
【符号の説明】
【００５９】
５：内燃機関、１０：排気浄化装置、１１：排気通路、１３：ＰＭフィルタ、１５：ＮＯX触媒、１７：運転状態検知手段、１９：制御手段、２０：熱交換器、２１：温度センサ、１０５：内燃機関、１１０：排気浄化装置、１１１：排気通路、１１３：ＰＭフィルタ、１１５：ＮＯX触媒、１１７：運転状態検知手段、１１９：流量割合制御手段、１２０：熱交換器、１２１：温度センサ、１２３：バイパス部、：１２８：弁部、１２９：制御手段
【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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