(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に介装された酸化触媒と、
前記排気通路の前記酸化触媒よりも下流の部分に配設されたパティキュレートフィルタと、
前記排気通路のうち前記酸化触媒の上流の部分と前記酸化触媒の下流且つ前記パティキュレートフィルタの上流の部分とを接続するバイパス通路と、
前記バイパス通路に介装されたＮＯx触媒と、
前記バイパス通路の前記ＮＯx触媒よりも上流にＮＯx還元剤を供給する還元剤供給手段と、
前記バイパス通路の前記酸化触媒の上流の分岐部に設けられ、排気の前記酸化触媒側への流通と前記バイパス通路への流通とを切り換える切換弁と、
前記切換弁を排気温度または前記酸化触媒の温度もしくは内燃機関の運転状態に応じて切り換える制御手段と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記パティキュレートフィルタは酸化触媒を担持してなることを特徴とする、請求項１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、パティキュレートマターを捕捉するパティキュレートフィルタの上流に酸化触媒を有する連続再生式のパティキュレートフィルタとともにＮＯx触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置に係り、詳しくは、ＮＯx触媒の効率化を図る技術に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
バス、トラック等に搭載されるディーゼルエンジンから排出される排ガスには、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯx等のほか、パティキュレートマター（ＰＭと略す）が多く含まれている。そこで、ディーゼルエンジンの後処理装置として、ＰＭを捕捉し外部熱源により焼却除去するディーゼル・パティキュレートフィルタ（ＤＰＦと略す）が実用化されている。また、最近では、ＤＰＦの外部熱源の代わりにＤＰＦの上流側にＰＭを酸化除去するための酸化剤（ＮＯ2）を生成し供給する酸化触媒を設け、連続的にＤＰＦ上のＰＭを酸化処理する連続再生式ＤＰＦが考えられている。
【０００３】
また、ＮＯxを浄化処理するために、連続再生式ＤＰＦとともにＮＯx触媒を排気通路に介装することも考えられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＮＯx触媒を介装する場合、連続再生式ＤＰＦ上のＰＭを酸化除去するにはＮＯ2が必要であること、また、連続再生式ＤＰＦの酸化触媒により生成されてＤＰＦで使用されずに下流側に流れてしまうＮＯ2をも処理する必要があることから、一般にＮＯx触媒は例えばＤＰＦの下流に設けられる。
【０００５】
また、ＮＯx触媒によりＮＯxを還元する場合、還元作用を促進するために、ＮＯx触媒上流でＮＯx還元剤（燃料等）を供給するようにしている。この場合、ＮＯx還元剤の部分酸化を促進させるべく、還元剤の供給はできるだけ内燃機関の燃焼室に近い位置であることが望まれる。
ところが、本来ＮＯxの浄化効率を高めるためにＮＯx触媒は高温状態に保持するのがよいにも拘わらず、上記のようにＮＯx触媒を連続再生式ＤＰＦの下流に配置させると、触媒温度が低くなり十分に機能させることができないという問題がある。
【０００６】
また、連続再生式ＤＰＦの酸化触媒の上流に還元剤を供給するようにすると、酸化触媒によって還元剤の多くが酸化されてしまうという問題もある。この場合、酸化触媒の下流に還元剤を供給することも考えられるが、これでは還元剤の部分酸化が促進されず、有効なものとはいえない。
また、内燃機関が高負荷状態にあり酸化触媒の温度が高い状況下では、酸化触媒に排ガスを流すと酸化触媒において燃料中の硫黄成分が反応してサルフェート（硫黄酸化物）が多く生成されてしまうという問題もある。
【０００７】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、連続再生式のパティキュレートフィルタとともにＮＯx触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯx触媒の効率化を図った内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、請求項１の発明では、内燃機関の排気通路に介装された酸化触媒と、前記排気通路の前記酸化触媒よりも下流の部分に配設されたパティキュレートフィルタと、前記排気通路のうち前記酸化触媒の上流の部分と前記酸化触媒の下流且つ前記パティキュレートフィルタの上流の部分とを接続するバイパス通路と、前記バイパス通路に介装されたＮＯx触媒と、前記バイパス通路の前記ＮＯx触媒よりも上流にＮＯx還元剤を供給する還元剤供給手段と、前記バイパス通路の前記酸化触媒の上流の分岐部に設けられ、排気の前記酸化触媒側への流通と前記バイパス通路への流通とを切り換える切換弁と、前記切換弁を排気温度または前記酸化触媒の温度もしくは内燃機関の運転状態に応じて切り換える制御手段とを備えたことを特徴としている。
【００１３】
これにより、排気温度が低く、パティキュレートマター（ＰＭ）が多く発生するようなときには、排ガスが酸化触媒側に流れるように切換弁を切り換えることにより、排ガスは酸化触媒とパティキュレートフィルタからなる連続再生式のパティキュレートフィルタを通ることになり、パティキュレートフィルタに堆積するＰＭが酸化触媒により生成される酸化剤（ＮＯ2）によって連続的に酸化処理される一方、排気温度が高く、ＮＯxが発生し易いようなときには、切換弁を切り換えることにより、排ガスはバイパス通路のＮＯx触媒に流れ、このときバイパス通路のＮＯx触媒上流にＮＯx還元剤（燃料）を供給することで、ＮＯxが効率よく還元処理される。
【００１４】
そして、この場合も、排気温度が高いときには排ガスが酸化触媒を通ることがないので、サルフェートが生成されることがなくなる。また、このようにＮＯx触媒がバイパス通路に設けられていると、ＮＯx触媒が比較的内燃機関の燃焼室に近くなり、ＮＯx触媒が十分に高温状態に保持されてＮＯx触媒の浄化効率が向上する。
【００１５】
また、排気温度が高く、パティキュレートフィルタが高温状態にあるときには、ＰＭは排ガス中の酸素によって酸化除去されるため、切換弁を切り換えて排ガスがバイパス通路を流れるようにしても、つまり排ガスを酸化触媒に流さずに酸化剤（ＮＯ2）が生成されないようにしても、ＰＭは排ガス中の酸素によって良好に酸化除去され続ける。
【００１６】
従って、本発明では、ＰＭを常に良好に酸化除去し続けながら、同時にＮＯxを浄化効率高く良好に浄化することが可能とされる。
好ましくは、還元剤はバイパス通路のできるだけ上流から供給するのがよく、これにより、還元剤の部分酸化が十分に促進され、ＮＯx触媒における還元性能がより一層向上する。
【００１７】
また、請求項２の発明では、前記パティキュレートフィルタは酸化触媒を担持してなることを特徴としている。
従って、切換弁が切り換えられて排ガスがバイパス通路を流れるとともにバイパス通路にＮＯx還元剤（燃料）が供給される場合、還元剤の量が多いと余剰の還元剤がパティキュレートフィルタに達するおそれがあるが、パティキュレートフィルタに酸化触媒を担持することにより、かかる余剰の還元剤を大気中に放出することなく酸化触媒によって良好に酸化除去可能である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の実施例を説明する。
先ず、第１実施例について説明する。
図１を参照すると、本発明の第１実施例に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図が示されており、以下同図に基づき説明する。
【００１９】
エンジン１としては、ここでは直列４気筒ディーゼルエンジン（以下、単にエンジンと記す）が採用される。
エンジン１の吸気ポートには、吸気マニホールド２を介して吸気管４が接続されており、一方、排気ポートには、排気マニホールド６を介して排気管８が接続されている。
【００２０】
同図に示すように、排気管８には後処理装置２０が介装されている。後処理装置２０は、排ガスに含まれる有害成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯx等）やＰＭ（パティキュレートマター）を浄化処理するための触媒コンバータやディーゼル・パティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）からなる排気浄化装置であり、ここでは、ＮＯx触媒担持型ＤＰＦ２４の上流に酸化触媒２６を備えた、所謂、連続再生式ディーゼル・パティキュレートフィルタ（連続再生式ＤＰＦ）２２として構成されている。
【００２１】
連続再生式ＤＰＦ２２は、酸化触媒２６によって酸化剤（ＮＯ2）を生成し、このＮＯ2をＤＰＦ２４に供給することで連続的にＤＰＦ２４上に堆積するＰＭを酸化反応させ、浄化処理するような装置である。また、ＮＯx触媒担持型ＤＰＦ２４に担持されたＮＯx触媒は、排ガス中のＮＯx成分を還元除去するものであり、ここでは、例えば選択還元型のＮＯx触媒が担持されている。この選択還元型のＮＯx触媒は、還元雰囲気中において、ＮＯxを選択的に還元処理することの可能な触媒であり、公知のものである。
【００２２】
また、酸化触媒２６とは別に、ＮＯx触媒担持型ＤＰＦ２４の下流部分に酸化触媒が担持されている。
そして、排気管８からは、酸化触媒２６の上流部分で分岐してバイパス管（バイパス通路）３０が延びており、当該バイパス管３０は酸化触媒２６とＤＰＦ２４との間で再び排気管８に合流している。
【００２３】
排気管８とバイパス管３０との分岐部には、切換弁３２が設けられている。この切換弁３２は、排ガスの連続再生式ＤＰＦ２２側への流通と遮断及びバイパス管３０への流通と遮断とを切り換える電磁式の３方弁である。従って、例えば切換弁３２によりバイパス管３０への流通が遮断されると、排ガスは酸化触媒２６を経てＮＯx触媒担持型ＤＰＦ２４に流れ、切換弁３２によりバイパス管３０への流通が許容されると、排ガスはバイパス管３０を経てＮＯx触媒担持型ＤＰＦ２４に流れる。
【００２４】
また、バイパス管３０の上流部分には、電磁式の燃料噴射装置（還元剤供給手段）３４がバイパス管３０内にＮＯx還元剤としての燃料を供給可能に設けられている。燃料噴射装置３４は、燃料管３６を介し、エンジン１の各気筒に燃料を噴射する燃料噴射弁１０と同様に燃料タンク４０に接続されており、つまり燃料噴射装置３４は、ＮＯx還元剤として燃料タンク４０の燃料（ここでは、軽油）をバイパス管３０内に供給（例えば、噴霧）可能である。
【００２５】
図中、符号２７は、酸化触媒２６の温度、即ち触媒温度を検出する触媒温度センサである。
電子コントローラ（ＥＣＵ）５０は、エンジン１を含めた本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の総合的な制御を行うための制御装置である。
ＥＣＵ５０の入力側には、エンジン１に設けられたエンジン回転速度等を検出する各種センサ類とともに、上記触媒温度センサ２７が接続されている。
【００２６】
一方、ＥＣＵ５０の出力側には、エンジン１に設けられた燃料噴射弁１０等の他、上記電磁式の切換弁３２、電磁式の燃料噴射装置３４が接続されている。
以下、上記のように構成された本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の作用について説明する。
触媒温度センサ２７からの温度情報に基づき、ＥＣＵ５０において、触媒温度が所定温度（例えば、３５０℃）よりも低いと判定された場合には、ＥＣＵ５０は、切換弁３２をバイパス管３０への流通が遮断されるよう、即ち排ガスが酸化触媒２６に流れるように切り換える。
【００２７】
このようにすると、排気中のＰＭがＤＰＦ２４に捕捉されるとともに、酸化触媒２６では、酸化反応により、ＣＯやＨＣが酸化除去されるとともに、酸化剤として例えば排気中の窒素成分Ｎの酸化物であるＮＯ2が生成される。
そして、酸化触媒２６で生成されたＮＯ2は、ＤＰＦ２４に供給されることになり、ＤＰＦ２４に捕捉されたＰＭがＮＯ2によって酸化処理される。つまり、連続再生式ＤＰＦ２２では、ＤＰＦ２４に捕捉されたＰＭは、酸化触媒２６で生成された酸化剤としてのＮＯ2によって連続的に酸化され、除去される。
【００２８】
一方、触媒温度センサ２７からの温度情報に基づき、触媒温度が所定温度（例えば、３５０℃）以上である場合には、ＥＣＵ５０は、切換弁３２をバイパス管３０への流通を許容するよう、即ち排ガスがバイパス管３０を経てＮＯx触媒担持型ＤＰＦ２４に流れるように切り換える。
つまり、触媒温度が所定温度と高く、排気温度が高いような状況では、ＮＯxが発生し易いと考えられ、このような場合には、排ガスをバイパス管３０を経てＮＯx触媒担持型ＤＰＦ２４に流すようにする。
【００２９】
そして、切換弁３２の切り換えと同時に、燃料噴射装置３４から燃料（軽油）をバイパス管３０内に噴霧する。なお、燃料噴射装置３４から噴霧する燃料量は、エンジン１の運転状態に応じて予め適切な量に設定されている。
このように、排気温度が高い場合に、排ガスが直接ＮＯx触媒担持型ＤＰＦ２４に流れるように切換弁３２を切り換え、燃料噴射装置３４からバイパス管３０内に燃料を噴霧するようにすると、排ガスは酸化触媒２６を通らずに直接ＮＯx触媒担持型ＤＰＦ２４に流れることになるため、排ガス中の硫黄成分が酸化されてサルフェート（硫黄酸化物）を生成することがなくなる。
【００３０】
また、燃料噴射装置３４は、バイパス管３０の上流部分に燃料を供給するようにしているため、燃料はＮＯx触媒担持型ＤＰＦ２４に到達するまでの間に十分に部分酸化が促進されることになり、排気中のＮＯxが部分的に改質された還元剤によって十分に還元処理される。
また、ＮＯx触媒担持型ＤＰＦ２４では、ＮＯx触媒はＤＰＦと一体となっているため、ＤＰＦにおけるＰＭの反応熱によりＮＯx触媒はある程度高温に維持される。これにより、ＮＯxの浄化効率の低下が防止される。
【００３１】
ところで、酸化触媒２６が所定温度（例えば、３５０℃）以上では、ＤＰＦ２４も当該所定温度以上であると考えられる。そして、ＤＰＦ２４が当該所定温度以上の高温状態になると、ＤＰＦ２４に捕捉されたＰＭは、排気中の酸素と良好に酸化反応し、除去されることになる。つまり、所定温度以上では、酸化触媒２６によって酸化剤であるＮＯ2を生成しなくても、排気中の酸素によって十分に酸化除去される。従って、このように酸化触媒２６が所定温度以上で排ガスを酸化触媒２６に流さないようにしても、ＤＰＦ２４に捕捉されたＰＭは問題なく除去され続けることになる。なお、エンジン１が高負荷状態で触媒温度が高い状況では、酸化触媒２６での酸化剤であるＮＯ2の生成能力が低下するため、現実問題として、所定温度以上で排ガスを酸化触媒２６に流したとしてもＮＯ2は殆ど生成されることはない。
【００３２】
即ち、本発明のように構成することにより、触媒温度に拘わらずＰＭを常に良好に酸化除去し続けながら、同時に、環境に悪影響を与えるサルフェートの生成もなく、ＮＯx還元剤の供給によりＮＯx触媒近傍に良好に還元雰囲気を形成するようにでき、ＮＯxをも良好に浄化することができることになる。
なお、燃料噴射装置３４から供給する燃料量は、上述したように予め適切な量に設定されているが、ＮＯxの還元に使用されない燃料があっても、かかる余剰となった燃料は、ＮＯx触媒担持型ＤＰＦ２４の下流部分に担持された酸化触媒によって確実に酸化処理され、大気中に放出されることはない。
【００３３】
次に、第２実施例について説明する。
図２を参照すると、本発明の第２実施例に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図が示されており、以下同図に基づき説明する。但し、構成の大部分は上記第１実施例と同一であるため、ここでは、第１実施例と異なる部分についてのみ説明する。
【００３４】
上記第１実施例では、ＮＯx触媒担持型ＤＰＦ２４のように、ＤＰＦにＮＯx触媒が担持されていたが、当該第２実施例では、ＤＰＦ２４’はＮＯx触媒を有さず、排気管８から分岐するバイパス管３０にＮＯx触媒２８が介装されている。そして、ＮＯx触媒２８よりも上流に燃料噴射装置３４が設けられている。
このようにＮＯx触媒２８をバイパス管３０に設けるようにすると、ＮＯx触媒２８がエンジン１の燃焼室に近くなるため、高い排気温度で排ガスがＮＯx触媒２８に流入することになり、ＮＯx触媒２８の温度がより一層高く維持される。そして、ＮＯx触媒２８が高温に保持されると、ＮＯxの浄化効率が向上し安定したものとなり、ＮＯxをさらに良好に浄化することができる。
【００３５】
特に、この第２実施例の構成は、ＮＯx触媒２８が高温型（例えば、銀系触媒）である場合に有効である。
なお、この場合にも、燃料噴射装置３４から供給され、使用されずに余剰となった燃料は、ＤＰＦ２４’の下流部分に担持された酸化触媒によって確実に酸化処理され、大気中に放出されることはない。
【００３６】
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限られるものではない。
例えば、上記実施形態では、バイパス管３０に燃料噴射装置３４を設けるようにし、これによりＮＯx還元剤（燃料）を供給するようにしたが、他の実施例として、燃料噴射装置３４を設けず、エンジン１の各気筒に配設された燃料噴射弁１０によってＮＯx還元剤（燃料）を供給するような構成にしてもよい（還元剤供給手段）。
【００３７】
即ち、燃料噴射弁１０により、主燃焼用の燃料を主噴射した後、膨張行程或いは排気行程でポスト噴射（副噴射）を行い、膨張仕事に寄与しないポスト噴射による未燃燃料をバイパス管３０に導くようにしてもよい。かかるポスト噴射は、コモンレール式のディーゼルエンジンであれば容易に実現可能である。
このようにポスト噴射を用いてＮＯx還元剤（燃料）を供給するようにすると、温度が高く且つＮＯx触媒までの距離が長くなるため、より一層部分酸化が促進され、ＮＯxをさらに良好に浄化することができる。
【００３８】
また、上記実施形態では、ＮＯx還元剤として例えば軽油を用いるようにしたが、ＮＯx還元剤は軽油以外でも、アルコール類や尿素水であってもよい。
また、上記実施形態では、酸化触媒２６の温度により切換弁３２を切換制御するようにしたが、酸化触媒２６の温度に代えて、排気温度、或いはエンジン１の運転状態と排気温度とを対応させておき、そのときの運転状態に応じて切換制御を行うようにしてもよい。
【００３９】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の請求項１の内燃機関の排気浄化装置によれば、排気温度が低く、パティキュレートマター（ＰＭ）が多く発生するようなときには、排ガスを酸化触媒とパティキュレートフィルタからなる連続再生式のパティキュレートフィルタに通すことにより、パティキュレートフィルタに堆積するＰＭを酸化触媒により生成される酸化剤（ＮＯ２）によって連続的に酸化処理でき、一方、排気温度が高く、ＮＯxが発生し易いようなときには、切換弁を切り換えて排ガスをバイパス通路のＮＯx触媒に流すとともにバイパス通路にＮＯx還元剤（燃料）を供給することにより、ＮＯxを還元処理することができる。
【００４０】
そして、排気温度が高い場合には、切換弁を切り換えて排ガスをバイパス通路に流すことにより、排ガスが酸化触媒を通ることがないので、サルフェートの生成を防止できる。
また、切換弁を切り換えて排ガスがバイパス通路を流れるようにした場合であっても、パティキュレートフィルタが高温状態にあるときには、ＰＭは排ガス中の酸素によって良好に酸化除去され続けることになる。
【００４１】
従って、ＰＭを常に良好に酸化除去し続けながら、同時にＮＯxを効率よく良好に浄化することができる。
この際、還元剤をバイパス通路のできるだけ上流から供給するようにすれば、還元剤の部分酸化を十分に促進でき、ＮＯx触媒における還元性能をより一層向上させることができる。
【００４２】
また、ＮＯx触媒がバイパス通路に設けられているので、ＮＯx触媒を比較的内燃機関の燃焼室に近くでき、ＮＯx触媒を十分に高温状態に保持してＮＯx触媒の浄化効率を向上させることができる。
更に、請求項２の内燃機関の排気浄化装置によれば、切換弁を切り換えて排ガスをバイパス通路を流すとともにバイパス通路にＮＯx還元剤（燃料）を供給した場合において、使用されず余剰となる還元剤をパティキュレートフィルタに担持された酸化触媒によって良好に酸化除去するようにできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図である。
【図２】本発明の第２実施例に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図である。
【符号の説明】
１  ディーゼルエンジン
８  排気管
１０  燃料噴射弁（還元剤供給手段）
２２  連続再生式ＤＰＦ
２４  ＮＯx触媒担持型ＤＰＦ
２６  酸化触媒
２７  触媒温度センサ
３０  バイパス管（バイパス通路）
３２  切換弁
３４  燃料噴射装置（還元剤供給手段）
５０  電子コントローラ（ＥＣＵ）
【図１】
0003788501.tif 000002
【図２】
0003788501.tif 000003