(57)【要約】    【課題】  ＤＰＦ８の再生時にその温度を確実に上昇させる一方、ＳＣＲ触媒９の過度の温度上昇を抑制する。    【解決手段】  排気通路３の上流側にＤＰＦ８を備え、下流側にＳＣＲ触媒９及び尿素水噴射ノズル１１を備える。ここにおいて、ＤＰＦ８の下流側で、ＳＣＲ触媒９及び尿素水噴射ノズル１１の上流側に、ＤＰＦ８の再生要求時に排気を絞る排気絞り弁１３を設ける。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの排気通路に、排気中のＰＭを捕集するフィルタと、還元剤を用いてＮＯｘを還元するＮＯｘ還元装置とを、この順に備える、エンジンの排気浄化装置において、
前記フィルタと前記ＮＯｘ還元装置との間に、前記フィルタの再生要求時に排気通路を絞る排気絞り手段を設けたことを特徴とする、エンジンの排気浄化装置。
【請求項２】
前記排気絞り手段は、排気通路の通路断面積を変化させるバタフライバルブであることを特徴とする請求項１記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項３】
前記排気絞り手段は、排気通路に設けたベンチュリと、このベンチュリをバイパスするバイパス通路と、このバイパス通路を開閉するバイパスバルブと、を含んで構成されることを特徴とする請求項１記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項４】
前記バイパスバルブは、少なくとも、前記フィルタの再生要求時に閉じ、エンジンの高排気流量運転時に開くことを特徴とする請求項３記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項５】
前記ベンチュリにはそのスロート部に空気噴出口が開口し、この空気噴出口は空気制御バルブを介して空気供給源に接続されていることを特徴とする請求項３又は請求項４記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項６】
前記ＮＯｘ還元装置は、アンモニアを還元剤としてＮＯｘを還元するＳＣＲ触媒と、該ＳＣＲ触媒の上流にて排気中に尿素水を噴射する尿素水噴射ノズルとを含んで構成されることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載のエンジンの排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの排気中のＰＭ（粒子状物質）及びＮＯｘ（窒素酸化物）を除去する排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジン、特にディーゼルエンジンは、空気過剰率が大きい領域で燃焼が行われるため、ＣＯ及びＨＣの排出が少ない反面、ＰＭ及びＮＯｘが多いという特性がある。
【０００３】
そこで、特許文献１に記載されているように、エンジンの排気通路に、排気中のＰＭを捕集するフィルタと、還元剤を用いてＮＯｘを還元するＮＯｘ還元装置（ＳＣＲ触媒及び尿素水噴射ノズル）とを、この順に配設するようにした、排気浄化装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３４２７３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ＰＭ捕集用のフィルタは、多孔性部材でＰＭを捕集するため、ＰＭ捕集量の増加に伴って多孔性部材の目詰まりが進行し、排圧が許容値以上に上昇して燃費低下などをきたしてしまう。このため、適当なタイミングでフィルタに堆積したＰＭを燃焼させて焼却することで、その目詰まりを解消する「再生処理」が不可欠である。
【０００６】
従来、フィルタの強制再生のために、燃料噴射量増量、後噴射、排気管内噴射、又は、電気ヒータなどの加熱手段により、フィルタに流入する排気温度を上昇させるが、排気全量を加熱するには多大の熱量が必要なため、燃費が悪化する。
【０００７】
そのため、フィルタの強制再生時に排気量を低減すべく吸気シャッターや可変バルブなどにより吸気量を低減させる場合、フィルタに堆積したＰＭの焼却のために必要な酸素が不足し、不完全燃焼の恐れがある。
【０００８】
そこで、フィルタの強制再生時に排気マニホールド（又は排気タービン）下流の排気絞り弁（排気シャッター）を閉じてエンジン背圧（ひいてはエンジン負荷）を上げて排気温度を上昇させる方法が用いられる。
【０００９】
しかし、特許文献１に記載の排気浄化装置においては、排気絞り弁をフィルタの上流に設けているため、排気絞り弁より上流側の排気は圧力及び温度が上昇するが、排気絞り弁より下流のフィルタでは、排気が膨張して圧力・温度が再び低下してしまうため、フィルタの昇温効果が少ない。
【００１０】
本発明は、このような実状に鑑み、ＰＭ捕集用のフィルタの強制再生時にフィルタの温度上昇を促進できるようにすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決するために、本発明は、エンジンの排気通路に、排気中のＰＭを捕集するフィルタと、還元剤を用いてＮＯｘを還元するＮＯｘ還元装置とを、この順に備える、エンジンの排気浄化装置において、前記フィルタと前記ＮＯｘ還元装置との間に、前記フィルタの再生要求時に排気通路を絞る排気絞り手段を設ける構成とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ＰＭ捕集用のフィルタの下流側で排気を絞ることにより、排気絞り位置より上流のフィルタを確実に昇温することができる。その一方、排気絞り位置より下流側では排気の膨張により温度低下を図ることができ、ＮＯｘ還元装置への高温排気の流入を極力防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施形態を示すエンジン排気系のシステム図
【図２】第１の実施形態での再生要求時のフローチャート
【図３】本発明の第２の実施形態を示すエンジン排気系のシステム図
【図４】図３の要部拡大図
【図５】第２の実施形態での再生要求時のフローチャート
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図１は本発明の第１の実施形態を示すエンジン排気系のシステム図である。
【００１５】
ディーゼルエンジン（エンジン本体）１の排気マニホールド２下流側の排気通路（排気管）３には、排気浄化装置を装備させるため、上流側の第１ケーシング４と、下流側の第２ケーシング５と、これらのケーシング４、５間の連通路６とが設けられる。尚、第１及び第２ケーシング４、５は排気管径より大きな管径を有し、連通路６は排気管径と同等の管径を有している。
【００１６】
第１ケーシング４内には、前段にディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ；Diesel Oxidation Catalyst ）７が収納され、後段にディーゼルパティキュレートフィルタ（以下「ＤＰＦ」という）８が収納されている。
【００１７】
ＤＰＦ８は、排気中の粒子状物質であるＰＭ（Particulate Matter）を捕集するフィルタであり、例えば、多孔質セラミックのハニカム構造の担体からなり、上流側と下流側とを連通する通路が多数並設されると共に、隣接する通路同士において上流側と下流側とが交互に封止されたウォールフロータイプのフィルタである。従って、排気は、上流端が開口し下流端が封止された通路から流入し、通路壁（その気孔）を通って、上流端が封止され下流端が開口する通路へ流出し、この際に、排気中のＰＭが通路壁に捕集される。このようなＤＰＦ８では、捕集したＰＭの堆積によって、次第に排気抵抗が増大するため、後述するように、連続的に、また強制的に、ＤＰＦ８を再生する必要がある。
【００１８】
酸化触媒７は、排気中のＮＯを酸化させてＮＯ２を生成し、このＮＯ２を酸化剤としてＤＰＦ８に供給すると共に、酸化熱を発生させて、下流側のＤＰＦ８を昇温させる。このようにＤＰＦ８の前段に酸化触媒７を配置することにより、ＤＰＦ８に捕集されているＰＭは、酸化触媒７から供給されたＮＯ２と反応して酸化し、ＤＰＦ８の連続再生が行われるようになる。
【００１９】
第２ケーシング５内には、前段にアンモニアを還元剤としてＮＯｘを還元する機能を有するＳＣＲ触媒９が収納され、後段にアンモニア触媒１０が収納されている。尚、「ＳＣＲ」は、Selective Catalytic Reduction の略語である。
【００２０】
そして、第２ケーシング５上流の連通路６には、ＳＣＲ触媒９へ向けて、還元剤（アンモニア）の前駆体としての尿素水溶液（以下「尿素水」という）を加圧空気と共に噴射する尿素水噴射ノズル１１が設けられている。尚、尿素水は、図示しない尿素水タンクから噴射量制御用の制御モジュール１２を介してノズル１１へ供給され、制御モジュール１２は電子制御ユニット（ＥＣＵ）５０により制御される。
【００２１】
尿素水噴射ノズル１１から噴射された尿素水は、排気の熱により加水分解してアンモニアとなる。ＳＣＲ触媒９は、このようにして生成されたアンモニアを吸着し、吸着したアンモニアを還元剤として、ＮＯｘとアンモニア（ＮＨ３）とを選択的に還元反応させ、ＮＯｘを無害な水（Ｈ２Ｏ）と窒素（Ｎ２）へ浄化する。ここにおいて、ＳＣＲ触媒９と尿素水噴射ノズル１１とでＮＯｘ還元装置を構成している。
【００２２】
アンモニア触媒１０は、前段のＳＣＲ触媒９から流出したアンモニアを酸化してＮ２とする酸化触媒としての機能を有している。
【００２３】
このようなディーゼルエンジンの排気浄化装置において、ＤＰＦ８の強制再生のため、第１及び第２ケーシング４、５間の連通路６の尿素水噴射ノズル１１より上流位置に、排気絞り手段として、排気絞り弁（バタフライバルブ）１３を設ける。
【００２４】
そして、この排気絞り弁１３は、電子制御ユニット５０により、ＤＰＦ８の強制再生時に閉じ方向に操作して排気を絞るように構成する。
【００２５】
次にＤＰＦ８の強制再生について説明する。
上記のディーゼルエンジンにおいて、排気中に含まれるＰＭは、ＤＰＦ８によって捕集され、大気中への放出が防止される。
【００２６】
エンジン負荷が増大して排気温度が高温となると、ＤＰＦ８に捕集されて堆積していたＰＭは、その高温の排気に曝されることで酸化除去されるが、エンジン負荷が低い状態が長時間続くと、その間、ＰＭは酸化除去されることがない。
従って、ＤＰＦ８のＰＭ堆積量は、次第に増大していき、ＤＰＦ８の詰まりによって、排気抵抗が増大し、エンジンの出力が低下する。
【００２７】
そこで、ＤＰＦ８の上流側に酸化触媒７を配置して、ＤＰＦ８に捕集されて堆積したＰＭの可能な範囲での燃焼除去（連続再生）を図る一方、適時的に（ＤＰＦ８のＰＭ堆積量が所定値に達するなどして再生時期と判断されたときに）、排気絞り弁１３を作動させるなどして、ＤＰＦ８をＰＭの燃焼可能な温度まで昇温させて、ＤＰＦ８に捕集されて堆積したＰＭの確実な燃焼除去（強制再生）を図るようにする。
【００２８】
本実施形態での電子制御ユニット５０によるＤＰＦ再生制御について、図２のフローチャートにより説明する。
【００２９】
Ｓ１では、ＤＰＦ再生条件が成立しているか否かを判定する。具体的には、ＤＰＦ８の前後差圧ΔＰを検出する差圧センサ（図示せず）を用い、これにより検出されるＤＰＦ前後差圧ΔＰに基づいて算出されるＰＭ堆積量と、再生時期判定用のしきい値とを比較して、再生時期か否かを判定し、同時に再生可能な運転条件か否かを判定する。その結果、再生時期であり、かつ再生可能な運転条件の場合に、ＤＰＦ再生条件が成立しているものとみなして、再生を開始する。また、再生開始後は、再生完了まで、ＤＰＦ再生条件が成立しているものとして、再生を継続する。
【００３０】
Ｓ１での判定でＤＰＦ再生条件の場合は、Ｓ２へ進み、排気絞り弁１３を閉じ方向に操作する。これにより、ＤＰＦ８の下流側で排気絞り弁１３により排気通路を絞ることにより、排気絞り位置より上流のＤＰＦ８を確実に昇温することができる。その一方、排気絞り位置より下流側では排気の膨張により温度低下を図ることができ、ＮＯｘ還元装置であるＳＣＲ触媒９への高温排気の流入を極力防止することができる。
【００３１】
このように、ＤＰＦ８の下流側に排気絞り弁１３を設けることにより、ＤＰＦ８の強制再生時にＤＰＦ８の温度上昇を促進して、再生効率を向上すると同時に、排気絞り弁１３下流側に設置されたＳＣＲ触媒９の過大な温度上昇を防止して、ＳＣＲ触媒９の劣化を抑制する。
【００３２】
Ｓ１での判定でＤＰＦ再生条件でない場合は、Ｓ３へ進み、排気絞り弁１３を開方向に操作する。これにより、排気絞りによる過度の排気温度の上昇を防止することができる。
【００３３】
本実施形態によれば、ＤＰＦ８とＮＯｘ還元装置（ＳＣＲ触媒９及び尿素水噴射ノズル１１）との間に、ＤＰＦ８の再生要求時に排気通路を絞る排気絞り手段として、排気通路の通路断面積を変化させる排気絞り弁（バタフライバルブ）１３を設けたことにより、簡単な構成で、必要な排気絞り効果を得ることができる。
【００３４】
次に本発明の第２の実施形態について説明する。
図３は本発明の第２の実施形態を示すエンジン排気系のシステム図、図４は図３の要部拡大図である。尚、図３において、図１と同一要素には同一符号を付して説明を省略し、異なる要素について説明する。
【００３５】
本実施形態では、ＤＰＦ８の強制再生のため、第１及び第２ケーシング４、５間の連通路６の尿素水噴射ノズル１１より上流位置に、排気絞り手段として、ベンチュリ２１を設ける。
【００３６】
また、連通路６を内筒とし、その外側に第１及び第２ケーシング４、５の筒部と同径の外筒２２を設けて、内外二重筒構造とする。
そして、第１ケーシング４の出口側の縮径テーパ部に内筒と外筒とを連通する開口２３を設けると共に、第２ケーシング５の入口側の拡径テーパ部に内筒と外筒とを連通する開口２４を設けて、外筒２２内にベンチュリ２１をバイパスするバイパス通路２５を形成する。
【００３７】
そして、バイパス通路２５の入口側の開口２３と出口側の開口２４とに、それぞれ、これらを開閉するバイパスバルブ２６、２７を設ける。これらのバイパスバルブ２６、２７は電子制御ユニット５０により開閉制御する構成とする。
【００３８】
また、ベンチュリ２１のスロート部形成面の外側を囲むように環状空間２８を設け、この環状空間２８には、空気供給源（例えばエアクリーナ）からの空気導入パイプ２９を空気制御バルブ３０を介して接続する。
そして、ベンチュリ２１のスロート部形成面に周方向に等間隔で複数の空気噴出口３１を設ける。従って、空気噴出口３１は、環状空間２８に連通し、空気制御バルブ３０を介して空気供給源に接続されている。
【００３９】
本実施形態での電子制御ユニット５０によるＤＰＦ再生制御について、図５のフローチャートにより説明する。
【００４０】
Ｓ１１では、前述のＳ１（図２）と同様、ＤＰＦ再生条件が成立しているか否かを判定する。具体的には、ＤＰＦ８の前後差圧ΔＰを検出する差圧センサ（図示せず）を用い、これにより検出されるＤＰＦ前後差圧ΔＰに基づいて算出されるＰＭ堆積量と、再生時期判定用のしきい値とを比較して、再生時期か否かを判定し、同時に再生可能な運転条件か否かを判定する。その結果、再生時期であり、かつ再生可能な運転条件の場合に、ＤＰＦ再生条件が成立しているものとみなして、再生を開始する。また、再生開始後は、再生完了まで、ＤＰＦ再生条件が成立しているものとして、再生を継続する。
【００４１】
Ｓ１１での判定でＤＰＦ再生条件の場合は、Ｓ１２へ進んで、バイパスバルブ２６、２７を閉じ、更にＳ１３へ進んで、空気制御バルブ３０を開く。
このように、バイパスバルブ２６、２７によりバイパス通路２５を遮断して、ＤＰＦ８の下流側でベンチュリ２１により排気通路を絞ることにより、排気絞り位置より上流のＤＰＦ８を確実に昇温することができる。
その一方、排気絞り位置より下流側では排気の膨張により温度低下を図ることができ、ＮＯｘ還元装置であるＳＣＲ触媒９への高温排気の流入を極力防止することができる。
【００４２】
また、空気制御バルブ３０を開くことで、ベンチュリ２１のスロート部の空気噴出口３１から空気が吸入される。従って、強制再生運転により高温となった排気とベンチュリ効果により流入した外気とが混合することにより、下流に設置されたＳＣＲ触媒９へ流入する排気の温度を確実に低下させることができる。
尚、ベンチュリ効果によるエアクリーナからの外気の吸入が困難な場合は、ターボを用いて外気を圧入するようにしてもよい。
【００４３】
Ｓ１１での判定でＤＰＦ再生条件でない場合は、Ｓ１４へ進んで、空気制御バルブ３０を閉じる。
そして、Ｓ１５へ進んで、高負荷域又は高回転域を否かを判定し、ＹＥＳの場合はＳ１６へ進んで、バイパスバルブ２６、２７を開き、ＮＯの場合は、バイパスバルブ２６、２７を閉じる。
このように高排気流量の運転領域（高負荷域と高回転域）では、バイパスバルブ２６、２７を開き、ベンチュリ２１をバイパスさせることで、運転性を確保する。また、排気絞りによる過度の排気温度の上昇を防止することができる。
【００４４】
本実施形態によれば、排気絞り手段として、排気通路に設けたベンチュリ２１と、このベンチュリ２１をバイパスするバイパス通路２５と、このバイパス通路２５を開閉するバイパスバルブ２６、２７と、を設ける構成とすることにより、ベンチュリ２１によって排気を確実に絞ることができる。
【００４５】
また、本実施形態によれば、前記バイパスバルブ２６、２７は、少なくとも、ＤＰＦ８の再生要求時に閉じ、エンジンの高排気流量運転時に開く構成とすることにより、ＤＰＦ８の再生要求時に排気を絞り、高排気流量運転時に排気絞りを解除して運転性を確保することができる。尚、本実施形態では、通常運転時であっても高負荷・高回転域でないときは、バイパスバルブ２６、２７を閉じるようにしたが、高負荷・高回転域を含め通常運転時は、バイパスバルブ２６、２７を開くようにしてもよい。
【００４６】
また、本実施形態によれば、前記ベンチュリ２１にはそのスロート部に空気噴出口３１が開口し、この空気噴出口３１は空気制御バルブ３０を介して空気供給源に接続されていることにより、ベンチュリ２１にて空気を吸入・混合して排気を冷却し、ＳＣＲ触媒９に流入する排気の温度を確実に低下させることができる。
【００４７】
尚、以上の実施形態では、ＤＰＦ８の再生要求時に、ＤＰＦ８に流入する排気の温度を上昇させるため、排気絞りのみを行っているが、排気絞りと同時に、燃料噴射量増量、後噴射、排気管内噴射、電気ヒータによる加熱を併用するようにしてもよい。このように併用するようにしても、排気絞りにより温度上昇させる分、燃費の悪化を抑制することができる。
【００４８】
また、図示の実施形態はあくまで本発明を例示するものであり、本発明は、説明した実施形態により直接的に示されるものに加え、特許請求の範囲内で当業者によりなされる各種の改良・変更を包含するものであることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００４９】
１  ディーゼルエンジン（エンジン本体）
２  排気マニホールド
３  排気通路（排気管）
４  第１ケーシング
５  第２ケーシング
６  連通路（内筒）
７  ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）
８  ＤＰＦ
９  ＳＣＲ触媒
１０  アンモニア触媒
１１  尿素水噴射ノズル
１２  制御モジュール
１３  排気絞り弁（バタフライバルブ）
２１  ベンチュリ
２２  外筒
２３、２４  開口
２５  バイパス通路
２６、２７  バイパスバルブ
２８  環状空間
２９  空気導入パイプ
３０  空気制御バルブ
３１  空気噴出口
５０  電子制御ユニット（ＥＣＵ）
【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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