JP4400194B2

JP4400194B2 - ディーゼルエンジンの排気浄化装置

Info

Publication number: JP4400194B2
Application number: JP2003403714A
Authority: JP
Inventors: 利貴南
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2003-12-02
Filing date: 2003-12-02
Publication date: 2010-01-20
Anticipated expiration: 2023-12-02
Also published as: JP2005163630A

Description

本発明はディーゼルエンジンの排気ガス中のパティキュレート及びＮＯｘを除去するための排気浄化装置に関する。

最近の内燃機関の排気ガスに対する規制は年々強化されており、特にディーゼルエンジンでは、排気ガス中のＮＯｘの低減に加え、カーボンを主成分とするパティキュレート（以下「ＰＭ」という。）の低減が急務となっている。このＰＭを排気から除去する装置として、フィルタによってＰＭを捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ（以下「ＤＰＦ」という。）が知られており、ディーゼルエンジンを搭載した車両にＤＰＦを装備させることを義務づける動きも本格化してきている。

ところで、ディーゼルエンジンを搭載した車両に装備されるＤＰＦには、エンジンが繰り返し運転されることによって捕集したＰＭが堆積するため、捕集したＰＭを燃焼してＤＰＦを再生させる必要がある。この再生の手段としては、電気ヒータやバーナ等で加熱してＰＭを燃焼させる方式が知られている。このＰＭを燃焼させる方式を採用した場合、ＤＰＦの再燃焼中はＰＭの捕集が不可能なため、排気通路に複数のＤＰＦを並列に配設して捕集と燃焼を交互に行うシステムとなり、装置が大掛かりになってしまうという問題が発生する。また、ＰＭを燃焼させる方式は、ＰＭ燃焼時の温度が高温になるためフィルタの耐久性確保が問題となってしまう。このような理由からこの捕集したＰＭを燃焼させる方式は、広く採用されるまでには至っていない。

上記のような問題を踏まえ、近年ではディーゼルエンジンの排気浄化装置として、一例として特許第３０１２２４９号に記載されているように、ＤＰＦの排気ガス上流に酸化触媒を設置し排気ガス中のＮＯを酸化してＮＯ２を生成させ、ＮＯ２によってＤＰＦに捕集したＰＭをエンジン作動中に連続して酸化・除去させてＤＰＦを再生させる方式が注目されている。なお、特許第２６００４９２号に記載されているように、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒をＤＰＦに担持させて、ＮＯｘを吸蔵、還元する際に発生する活性酸素を利用して捕集したＰＭを連続的に酸化・除去させる方式も知られている。

こうした連続再生式のディーゼルパティキュレートフィルタ（以下「連続再生式ＤＰＦ」という）では、加熱ヒータなどを装着することなくエンジン作動中に連続してＤＰＦを再生できるが、例えば、酸化触媒におけるＮＯをＮＯ２に酸化する反応の効率、いわゆる転化率は、触媒温度によって大きく変化し、ほぼ２５０℃から４００℃の間における領域では良好な酸化反応を見ることが出来るものの、それ以外の領域では十分にＮＯからＮＯ２への転化が行われない。つまり、ディーゼルエンジンの排気ガスが２５０℃から４００℃以外の温度領域では、再生が行われないままＤＰＦにＰＭが捕集され続けることになる。そのＰＭが多量に溜め込まれた状態でＰＭの酸化が発生するとＤＰＦ内で一気に反応が進行しフィルタの耐久性を著しく損ねるなどの問題も発生する。

連続再生式ＤＰＦにおけるこのような問題に対処するため、本出願人は、特願２００１−１５５８９４号（特開２００２−３４９２４１号公報参照）において、連続再生式ＤＰＦが配置されたディーゼルエンジンの排気通路に、このＤＰＦをバイパスするバイパス通路と小容量の第２の連続再生式ＤＰＦとを設け、ディーゼルエンジンの排気温度が低い領域では、排気ガス温度上昇手段を作動させるとともに排気ガスを第２の連続再生式ＤＰＦを通過させるようにしたディーゼルエンジンの排気浄化装置を提案している。以下、図７、図２、図３に基づいて、このディーゼルエンジン排気浄化装置を具体的に説明する。

図７は、上記提案のディーゼルエンジンの全体的な概略図である。ディーゼルエンジンは、吸気通路５における排気ガス再循環（以下「ＥＧＲ」という）通路９の連結部よりも上流側に配設され吸入空気量を制限する吸気シャッタ２２を備えている。この吸気シャッタ２２は、通常状態では全開に保持されている。また、排気通路７におけるＥＧＲ通路９の連結部よりも下流側には、排気ガスの流出を制限する排気シャッタ２３が配設されている。この排気シャッタ２３も上記吸気シャッタ２２と同様に、通常状態では全開に保持されている。なお、吸気シャッタ２２および排気シャッタ２３は、例えば図示しない負圧タンクに接続された負圧アクチュエータを備えており、制御手段１０により運転状態に応じて供給される負圧量が増減されることにより、その開度が制御される。

排気通路７における排気シャッタ２３の後流には、酸化触媒１２１及びＤＰＦ１２２から成る連続再生式ＤＰＦ１２並びにＮＯｘ触媒１４が装着されており、さらに、排気マニホールド４の直後の排気通路７には、排気通路をバイパスするバイパス通路１０１が配設されている。このバイパス通路１０１には、図２に示す本発明における第２の連続再生式ＤＰＦと同様に、酸化触媒及びＤＰＦを有する第２連続再生式ＤＰＦ１３が配設されている。この第２連続再生式ＤＰＦの容量は、第１の連続再生式ＤＰＦの容量より小さく構成されているとともに、上記バイパス通路の入口と出口間の排気通路には、排気ガスの流路を切り換える切替弁１０２が配設されている。この切替弁は制御手段１０により制御され、これを閉じると排気マニホールド４から排出される排気ガスをバイパス通路１０１、即ち第２連続再生式ＤＰＦ１３に流入せしめる。

また、上記提案の実施例のディーゼルエンジンは、その排気バルブ作動機構に吸気行程中において排気出口をシリンダに開放する排気ガス導入機構を具備している。すなわち、図３に示す本発明の排気ガス導入機構と同様に、排気バルブ作動機構を構成する排気カムは、通常のカムプロフィール（カム突起部）と、排気導入カムプロフィールを備えている（排気二段カム）。このように構成された排気カムを用いると、排気カムに形成された排気導入カムプロフィールにより排気バルブが少量リフトされ、吸気行程中にシリンダ内に排気ガスを逆流させる排気導入、いわゆる内部ＥＧＲ、が行われることになる。

上記のような構成を有するディーゼルエンジンでは、エンジンの排気温度の低い運転時において、切替弁１０２を閉じて排気ガスをバイパス通路１０１及び第２連続再生式ＤＰＦ１３に流入させる。これと同時に、例えば、排気シャッタ２３と吸気シャッタ２２の開度を低下させることにより、空気過剰率の減少等によって排気ガスの温度を上昇させる。第２の連続再生式ＤＰＦ１３は、排気マニホルド４の近傍で第１の連続再生式ＤＰＦ１２よりも上流に配置されているのでそこを通過する排気ガスは冷却されず、また、触媒等は小容量であって熱容量も小さいので容易に温度が上昇する。このため、排気ガス温度の低い運転領域であっても、酸化触媒の活性温度範囲に保つことが可能となり、第２連続再生式ＤＰＦ１３によるＰＭの捕集及びＤＰＦの再生を効率よく行うことができる。
特許第３０１２２４９号特許第２６００４９２号特開２００２−３４９２４１号

本出願人の提案にかかる上記ディーゼルエンジンでは、前述したように、排気ガス温度の低い運転領域でも第２連続再生式ＤＰＦによってＰＭを良好に捕集し再生することができ、主要なＰＭ除去装置である第１の連続再生式ＤＰＦに過剰なＰＭが蓄積されるような事態を防止できる。しかし、排気ガス中の有害成分であるＮＯｘをＰＭとともに低減させることは、なかなか困難な面があり、例えば、第１の連続再生式ＤＰＦの後流にＮＯｘ触媒１４を装着せざるを得ないなど、ＮＯｘ減少等については、本出願人の提案のディーゼルエンジンにも未だ改善の余地が残されている。

課題を解決する手段

本発明は、上記の課題に鑑み、第２の連続再生式ＤＰＦを有しかつ排気ガス導入機構により内部ＥＧＲを行うディーゼルエンジンにおいて、ＥＧＲ通路の途中に介在させた冷却器等により排気ガスを冷却して吸気管に再循環する、いわゆるクールＥＧＲを採用し、エンジンの低排気温度領域であっても高温域の場合には、クールＥＧＲを実施することにより、エンジン運転領域の広い範囲にわたってＰＭとＮＯｘとを同時に低減させるものであり、さらには、エンジン通常運転時のＰＭ除去の主要処理装置となる第１の連続再生式ＤＰＦを、早期に再生可能な状態とするものである。すなわち、本発明は、
「エンジンの排気通路に配置され、酸化触媒を備えた第１の連続再生式ディーゼルパティキュレートフィルタと、前記第１の連続再生式ディーゼルパティキュレートフィルタよりも上流の上流側排気通路をバイパスするバイパス通路と、排気ガスの流路を前記上流側排気通路又は前記バイパス通路へ切り換える切替弁と、前記バイパス通路に配設され、酸化触媒を備えた第２の連続再生式パティキュレートフィルタとを有し、かつ、
排気ガス再循環量を制御するＥＧＲ弁と排気ガスを冷却する冷却器とを介して、前記エンジンの吸気通路に排気ガスを再循環するＥＧＲ装置と、前記エンジンの排気通路をエンジン吸気行程において短時間エンジンのシリンダに蓮通させる排気ガス導入機構と、前記エンジンの吸気通路に配設された吸気シャッタとを有するディーゼルエンジンにおいて、
前記エンジンの排気温度が、前記第１の連続再生式ディーゼルパティキュレートフィルタにおける酸化触媒の活性温度以下の低排気温度領域であるか否かを判定する温度領域判定手段を備えており、
前記エンジンの排気温度が前記低排気温度領域内にあるときは、前記切替弁により排気ガスの流路を前記バイパス通路へ切り換え、次いで、ＮＯｘの発生状況を基に低排気温度領域における高温域にあるか低温域にあるかを判定し、高温域にあるときは、前記吸気シャッタを絞るとともに前記ＥＧＲ弁を開いて排気ガスを吸気通路に再循環する一方、低温域にあるときは、前記吸気シャッタを絞るとともに前記ＥＧＲ弁を閉じて排気ガスの再循環を停止し、
前記エンジンの排気温度が前記低排気温度領域を越えたときは、前記切替弁により排気ガスの流路を前記上流側排気通路へ切り換えた後に、前記吸気シャッタを全開とし、前記ＥＧＲ弁を開いて排気ガスを吸気通路に再循環する」
ことを特徴とするディーゼルエンジンの排気浄化装置となっている。ここで「連続再生式ディーゼルパティキュレートフィルタ」とは、前述したように、触媒とＤＰＦとを組み合わせ、触媒の作用によってＤＰＦに蓄積されたＰＭをエンジン作動中に連続して酸化・除去するものをいう。

前記の第２の連続再生式パティキュレートフィルタは、第１の連続再生式パティキュレートフィルタよりも小容量であることが望ましい。

エンジンの出力が増大してエンジンの排気温度が低排気温度領域よりも高まる運転領域では、排気ガスの温度は十分高温であって、第1の連続再生式ＤＰＦにおける酸化触媒の温度も上昇しＮＯの酸化反応が促進され、ＤＰＦの再生が連続的に行われつつ排気ガス中のＰＭが捕集される。このような領域では、請求項３に記載されているように、基本的には２つの領域に分けて制御するのが望ましい。つまり、低排気温度領域に隣接する中間排気温度領域では、殊に排気ガス中のＮＯｘが問題となるので、冷却した排気ガスを吸気通路に再循環し、エンジンの排気温度が中間排気温度領域よりもさらに高い高排気温度領域では、前記冷却した排気ガスの再循環を停止するように制御される。

また、前記ディーゼルエンジンでは、エンジンの負荷を検出するエンジン負荷検出手段と、エンジンの回転速度を検出するエンジン回転速度検出手段と、エンジン負荷とエンジン回転速度をパラメータとしてエンジンの排気温度領域を設定した排気温度領域マップとを用いて、制御を実行することができる。

前記ディーゼルエンジンの低排気温度領域では、第２の連続再生式ＤＰＦの酸化触媒を急速に活性化させるため、排気温度を上昇させることが望ましい。このため、請求項５に記載されているように、エンジンの吸気通路に設けた吸気シャッタを、低排気温度領域内の低温域においては高温域にあるときよりも強く絞り、吸入空気量を減少させてシリンダ内の燃焼時の空気過剰率を下げ、排気温度を上昇させることができる。また、請求項６に記載されているように、これと同時に排気通路に排気シャッタを設けて排気を絞ることにより、排気温度上昇の効果を一層高めることもできる。

上述のとおり、本発明のディーゼルエンジンの実施態様として、吸気通路に配設された吸気シャッタに加えて、排気通路にも排気シャッタを配設し、低排気温度領域の低温域では前記吸気シャッタにより吸気通路を絞るとともに、排気シャッタにより排気通路を絞るように制御され、さらに、エンジンの排気温度が低排気温度領域よりも高い中間排気温度領域では、前記排気シャッタにより排気通路を絞りながら冷却した排気ガスを吸気通路に再循環し、エンジンの排気温度が中間排気温度領域よりもさらに高い高排気温度領域では、冷却した排気ガスの再循環を停止するようにすることができる。この実施態様においては、排気シャッタを若干閉じて排気通路を絞ることにより、中間排気温度領域における排気ガスの再循環量を増大させることが可能となる。

本発明では、排気ガス温度の低い運転領域（低排気温度領域）、つまり、排気ガス温度が第１の連続再生式ＤＰＦの触媒活性温度に達しない領域であっても、バイパス通路に配設した第２の連続再生式ＤＰＦによってＰＭを良好に捕集し再生することができ、主要なＰＭ除去装置である第１の連続再生式ＤＰＦに過剰なＰＭが蓄積されるような事態を防止できる。さらに、低排気温度領域の内でも比較的温度の高い高温域では、冷却した排気ガスを吸気通路に再循環するクールＥＧＲを実施したことに伴い、この温度範囲で発生量の多いＮＯｘを低減させることができる。

また、本発明のディーゼルエンジンは、エンジンの排気温度が低排気温度領域内の高温域にあるときは「切替弁により排気ガスの流路をバイパス通路へ切り換え、次いで、吸気シャッタを絞り」、そして、エンジンの排気温度が低排気温度領域を越えたときは、「切替弁により排気ガスの流路を上流側排気通路へ切り換えた後に、吸気シャッタを全開」とするよう制御される。つまり、本発明の制御態様では、エンジンの排気温度が、低排気温度領域を越えて第１の連続再生式ＤＰＦの触媒活性温度に達した直後において、排気ガスが直接切替弁が第１の連続再生式ＤＰＦに流れるよう切替えられながら、吸気シャッタが未だ全開に至らない状態が存在する。その結果、空気過剰率が小さくなって、第１の連続再生式ＤＰＦの酸化触媒による未燃焼成分の酸化が促進され、早期に安定した触媒の活性温度の保持が可能となる。

さらに、本発明のディーゼルエンジンは、排気通路をエンジン吸気行程において短時間エンジンのシリンダに連通させる排気ガス導入機構を備えている。これによって内部ＥＧＲが行われ、エンジンの全運転領域においてＮＯｘの発生量が抑制される。もちろん、特定の領域では抑制効果の大きいクールＥＧＲを同時に行うことにより、より一層ＮＯｘの低減を図ることが可能である。このようにして、本発明のディーゼルエンジンでは、全運転範囲に亘って、ＰＭとともにＮＯｘを大幅に低減することができるため、従来排気通路に装着していたＮＯｘ触媒を省略することが可能となるが、場合によっては小型のＮＯｘ触媒を配設してもよい。
ここで、排気通路に排気シャッタを設け排気を絞ったときは、さらに大きな温度上昇を得ることができる。低排気温度領域においてこれらの手段を適用した場合には、バイパス通路に配設した第２の連続再生式ＤＰＦを急速に活性化することが可能となる。

このように、本発明では、ＮＯｘ低減効果の優れたクールＥＧＲを適宜実施し、ＰＭとともにＮＯｘを大幅に低減させている。そして、ディーゼルエンジンの排気温度領域、つまり運転状態に対応して、クールＥＧＲ、吸気シャッタ、排気シャッタ等のきめ細かな制御を行うことにより、エンジンの運転性あるいは燃料経済性に悪影響を与えることなく、ＮＯｘの低減を実現することができる。

以下、図面に基づいて、本発明を実施したディーゼルエンジンの排気浄化装置について説明する。なお、図１においては、背景技術の項において説明したディーゼルエンジンにおける構成部材等と同一のものについては、同一番号の符号を付してある。

本発明のディーゼルエンジンの全体的な概略図を、図１に示す。シリンダブロックおよびシリンダヘッド等からなるエンジン本体２には、吸気通路５の一部を構成する吸気マニホールド３および排気通路７の一部を構成する排気マニホールド４が配設されている。吸気通路５の最上流部に吸入空気を清浄化するエアクリーナ６が配設されており、エアクリーナ６で清浄化された吸入空気は吸気通路５を通り吸気マニホールド３を介して図示しないシリンダ内に供給される。排気マニホールド４には排気管通路７が接続されており、シリンダ内で生成された排気ガスは排気マニホールド４および排気通路７を通して排出される。

図示のディーゼルエンジンは、吸入空気を過給するためのターボチャージャー８を備えている。ターボチャージャー８は、排気通路７に配設された排気タービン８１と、吸気通路５に配設された吸気コンプレッサ８２とを有している。この実施形態のディーゼルエンジンは、ターボチャージャーを備えているが、本発明の排気浄化装置は、ターボチャージャー等により過給を行うエンジンに限らず、大気圧のまま吸気を行う自然吸気エンジンにも、もちろん、適用可能である。

排気タービン８１より下流側の排気通路７には、上流側より順に酸化触媒１２１、ＤＰＦ１２２とを有する第１の連続再生式ディーゼルパティキュレートフィルタ１２が配設されている。酸化触媒１２１は、例えばハニカム状のコーディエライト、あるいは耐熱鋼からなる担体の表面に、活性アルミナ等をコートしてウォッシュコート層を形成し、このコート層に白金、パラジウム、あるいはロジウム等の貴金属からなる触媒活性成分を担持させたものが使用される。この酸化触媒１２１は、排気ガス中のＮＯを酸化してＮＯ２を生成させるとともに、排気ガス中のＨＣとＣＯを酸化してＨ２ＯとＣＯ２を生成させる。ＤＰＦ１２２は、例えば多孔質のコーディエライト、あるいは炭化珪素によって多数のセルが平行に形成され、セルの入口と出口が交互に閉鎖された、いわゆるウォールフロー型と呼ばれるハニカムフィルタや、セラミック繊維をステンレス多孔管に何層にも巻き付けた繊維型フィルタが使用され、排気ガス中のＰＭを捕集する。このように、酸化触媒１２１及びＤＰＦ１２２により連続再生式ＤＰＦ１２が構成され、酸化触媒１２１によって排気ガス中のＮＯをＮＯ２に酸化させ、酸化触媒１２１の下流側に配設したＤＰＦ１２２に流入するＮＯ２によって捕集されたＰＭを酸化・除去させる。このとき、４００℃以下の低い温度でＰＭが酸化・除去するため、電気ヒータやバーナ等の特別な加熱手段を設ける必要がなく、また、低温にてＰＭの酸化・除去を連続的に起こしながら、同時にＰＭの捕集も行うため、連続再生式ＤＰＦは装置全体を簡易に且つコンパクトにできるという利点を有している。

さらに、排気マニホールド４の直後の排気通路７、つまり第１の連続再生式ディーゼルパティキュレートフィルタ１２よりも上流の上流側排気通路には、排気通路をバイパスするバイパス通路１０１が配設されている。このバイパス通路１０１には、図２に示すように、酸化触媒及びパティキュレートフィルタを有する第２の連続再生式ＤＰＦ１３が配設されている。この第２の連続再生式ＤＰＦ１３の容量は、第１の連続再生式ＤＰＦ１２の容量より小さく構成されている。バイパス通路１０１の出入口間の排気通路７である上流側排気通路には、排気ガスの流路を上流側排気通路又はバイパス通路に切り換える切替弁１０２が配設されている。この切替弁１０２は制御手段１０により制御され、排気通路７を閉じると排気マニホールド４から排出される排気ガスをバイパス通路１０１及び第２の連続再生式ＤＰＦ１３に流入せしめる。

また、図示のディーゼルエンジンは、排気タービン８１より上流側の排気通路７と吸気コンプレッサ８２より下流側の吸気通路５とを連絡するＥＧＲ通路９を具備している。ＥＧＲ通路９の途中にはＥＧＲバルブ１１とともに排気ガスの冷却器２００が介在されている。ＥＧＲバルブ１１は、例えば図示しない負圧タンクに接続された負圧アクチュエータを備えており、後述する制御手段１０により運転状態に応じて供給される負圧量が制御されることにより、その開度即ちＥＧＲ率が制御される。

排気ガスの冷却器２００は、エンジンの冷却水などとの熱交換により、吸気通路に再循環する高温の排気ガスを冷却するためのものである。ＥＧＲはよく知られているように、燃焼後の排気ガスを環流させた吸入空気をシリンダ内に投入してＮＯｘの抑制を図る排気浄化手段であるが、冷却した排気ガスを吸気通路に再循環する、つまりクールＥＧＲを採用すると、シリンダ内に投入する排気ガスの充填効率が向上し、また、排気ガスの温度も低いため、シリンダ内の燃焼温度を低下させる効果が大きく、それに伴ってＮＯｘの抑制効果も増大したものとなる。

エンジンの排気バルブ作動機構には、吸気行程中においてシリンダの排気通路をシリンダに開放する排気ガス導入機構４１を具備している。すなわち、図３に示すように、排気バルブ作動機構の排気カム４２は、排気行程で排気バルブ４０を作動する通常のカムプロフィール（カム突起部）４２１と、該カムプロフィールと回転方向後側に略９０°の位相角をもって形成された排気導入カムプロフィール４２２とを備えた排気二段カムとなっている。排気カム４２に形成された排気導入カムプロフィール４２２によって、吸気行程中に排気バルブ４０が開いて排気出口の排気ガスがシリンダ内に逆流し、いわゆる内部ＥＧＲが行われる。排気導入カムプロフィール４２２による排気バルブのリフト量は、１〜３
ｍｍ程度でよい。なお、図３において、３０は吸気バルブを、３１は吸気カムを示している。また、このような排気導入を行わせる機構としては、前記の特許文献３に記載されているように、排気出口を分岐してそこに電磁バルブで作動する小型のバルブを設け、吸気行程においてリフトさせるようにしてもよい。

このディーゼルエンジンは、吸気通路５におけるＥＧＲ通路９の連結部よりも上流側に配設され吸入空気量を制限する吸気シャッタ２２を備えている。この吸気シャッタ２２は、通常は全開に保持されている。また、排気通路７におけるＥＧＲ通路９の連結部よりも下流側には、排気ガスの流出を制限する排気シャッタ２３が配設されている。この排気シャッタ２３も上記吸気シャッタ２２と同様に、通常状態では全開に保持されている。なお、吸気シャッタ２２および排気シャッタ２３は、図示しない負圧タンクに接続された負圧アクチュエータを備えており、制御手段１０により運転状態に応じて供給される負圧量が制御されることにより、その開度が制御される。

制御手段１０は、上記ＥＧＲバルブ１１、切替弁１０２、吸気シャッタ２２及び排気シャッタ２３等を制御する外、エンジンの回転速度を検出するエンジン回転速度検出センサ１５、アクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度＝ＡＣＬ）を検出するアクセルセンサ１６、吸気マニホールド３内に配設されシリンダ内に吸入される吸気の温度を検出する吸気温度センサ１７等からの検出信号に基づいて、図示しない燃料噴射装置によってシリンダ内に噴射される燃料の噴射量を制御する。制御手段１０はエンジン回転速度とアクセル開度をパラメータとする燃料噴射量を設定したメモリを具備しており、エンジン回転速度検出センサ１５及びアクセルセンサ１６からの検出信号に基づいて基本燃料噴射量を決定する。そして、制御手段１０は、基本燃料噴射量を吸気温度センサ１５の検出値に基づき補正し、最終的な燃料噴射量を決定する。なお、最終的な燃料噴射量は吸気温度のみならず、他の様々なパラメータ（大気圧やスモーク限界噴射量等）を参照して随時補正することが可能である。

ついで、上述した各種の装置を備えた、この実施態様のディーゼルエンジンの作動について、図４、図５も参照しながら説明を加える。

車両に搭載されるディーゼルエンジンは、運転状態によってエンジン回転速度やエンジン負荷が刻々と変化し、そこから排出される排気ガス温度も運転状態に応じて変化する。図４にはエンジン回転速度とエンジン負荷（燃料噴射量）をパラメータとする排気ガスの温度領域が示されているが、エンジンが低負荷であって、殊に回転速度が低い運転状態、つまり低排気温度領域Ｘにおいては、排気温度が活性温度領域（２５０℃から４００℃）に達せず、酸化触媒でＮＯが十分にＮＯ２に酸化しない。また、排気出口の排気温度が触媒の活性温度領域に入っていたとしても、排気マニホールドから酸化触媒に至る間に外気などに放熱してしまうため結果的に活性温度領域以下に下がることがあった。

この実施態様における連続再生式ＤＰＦは、酸化触媒とＤＰＦとから成るものであるが、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒をＤＰＦに担持させて、ＮＯｘを吸蔵、還元する際に発生する活性酸素を利用して捕集したＰＭを連続的に燃焼させる方式の連続再生式ＤＰＦにおいても、触媒が有効に機能する温度領域が限定されており、同様の問題が発生している。

こうした問題を解決するため、このディーゼルエンジンでは、前記の特許文献３記載のものと同様に、エンジンの排気温度の低い低排気温度領域Ｘにおいて、切替弁１０２を閉じて排気ガスをバイパス通路１０１及び第２の連続再生式ＤＰＦ１３に流入させる。第２の連続再生式ＤＰＦ１３は、排気マニホールド４の近傍で第１の連続再生式ＤＰＦ１２よりも上流に配置されているので、そこを通過する排気ガスは冷却されず、また、触媒等は小容量であって熱容量も小さいので容易に温度が上昇する。このため、酸化触媒を活性温度範囲に保つことが可能となり、第２の連続再生式ＤＰＦ１３によるＰＭの捕集及びＤＰＦの再生を効率よく行うことができる。

本発明のディーゼルエンジンでは、第２の連続再生式ＤＰＦ１３に排気ガスを流入させる低排気温度領域Ｘのうち、相対的に温度の高い高温域（領域Ｘ２）ではＥＧＲバルブ１１を開き、排気ガスの冷却器（２００）により冷却された排気ガスを、ＥＧＲ通路９を介して吸気管５に再循環させる。そして、相対的に温度の低い低音域（領域Ｘ１）では、ＥＧＲバルブ１１を閉じ排気ガスの再循環を停止させる。すなわち、本発明では、低排気温度領域を、クールＥＧＲを行わせる高温域Ｘ２とこれを停止する低温域Ｘ１とに分割している。

第２の連続再生式ＤＰＦ１３に排気ガスを流入させる低排気温度領域Ｘであっても比較的温度の高い高温域Ｘ２では、やはり相当量のＮＯｘが発生する。このときクールＥＧＲを実施すると、排気ガス導入機構である排気バルブ４０のリフトにより導入される排気ガス、つまり内部ＥＧＲと相俟って、シリンダ内の燃焼温度を低下させてＮＯｘの発生を抑制することができる。

低排気温度領域Ｘの内でも温度の低い低温域Ｘ１では、もともとシリンダ内の燃焼温度が低く、ＮＯｘの発生量は少ない。このときクールＥＧＲを行って冷却された排気ガスを再循環させると、シリンダ内での燃料の燃焼状態が悪化しＨＣなど未燃焼有害成分が増加する原因となる。したがって、この低温域Ｘ１ではクールＥＧＲを停止するが、この低温域Ｘ１でも、内部ＥＧＲにより高温の排気ガスは導入されるので、ＮＯｘ及び未燃焼有害成分の発生が増加することはない。

また、この実施態様のディーゼルエンジンは、吸気を絞るための吸気シャッタ２２と排気を絞るための排気シャッタ２３を備えている。排気ガスが低温の低排気温度領域Ｘの場合は、吸気シャッタ２２を絞る制御を行うことにより吸入空気が制限される。また、排気シャッタ２３を絞りピストンにより圧縮されるシリンダ内の吸気の初期圧力を高めることにより、圧縮後の最終圧力及び温度が上昇する。排気ガスの温度はシリンダ内の燃焼時に空気過剰率（λ）が１に近いほど、また燃焼後の温度が高いほど高くなる。したがって、本来であれば低回転、低負荷状態で排気温度が酸化触媒の活性領域に達しない運転領域であっても、上記のような制御を実施することで、排気温度を活性温度領域にまで高めることが可能となる。

具体的には、図５の表における「低排気温度領域」の欄に示されるような制御が実施される。前述したように、この低温度領域では切替弁１０２は閉鎖され、排気ガスはバイパス通路１０１及び第２の連続再生式ＤＰＦ１３を通過して流される。

低排気温度領域の「低温域」では、ＥＧＲバルブ１１は閉鎖され、クールＥＧＲはカットされる。吸気シャッタ２２の開度は、例えば５％というように、非常に小さく吸入空気量は大幅に減少されている。また、排気シャッタ２３の開度は、例えば５０％に設定され、排気管７も強く絞られている。このため、シリンダ内の噴射燃料の燃焼は改善され、それに伴って排気温度は上昇し、第２の連続再生式ＤＰＦの温度を上昇させることができる。この低温域であっても、排気バルブのリフトによる内部ＥＧＲは行われ、ＮＯｘ及び未燃焼成分の発生防止に寄与する。

低排気温度領域であっても排気温度がある程度上昇する「高温域」では、ＥＧＲバルブ１１を開き、クールＥＧＲを実施する。このときは、吸気シャッタ２２の開度を、例えば２０％に設定するとともに、排気シャッタ２３を全開とする。空気過剰率の適正化によってシリンダ内の噴射燃料の燃焼は改善され、排気温度は上昇して第２の連続再生式ＤＰＦの温度も上昇することとなる。また、ＮＯｘの発生量が低減するのは前述したとおりである。

次に、排気温度が低排気温度領域Ｘを超えて上昇する運転領域における作動について述べる。この実施態様のディーゼルエンジンでは、排気温度が低排気温度領域以上の領域を、基本的には、中間排気温度領域Ｙと高排気温度領域Ｚとの２つに分けて制御を行う。

ディーゼルエンジンの排気温度が低排気温度領域以上となると、第１の連続再生式ＤＰＦ１２の酸化触媒１２１の温度は十分に活性温度域に達する。また、排気ガスの流量も増加するから、大容量の第１の連続再生式ＤＰＦ１２においてＰＭを捕集するよう切替弁１０２を開放し、第２の連続再生式ＤＰＦ１３には排気ガスが実質的に流入しないようにする。

中間排気温度領域Ｙでは、シリンダ内の燃焼温度も高まり、ＮＯｘの発生量も増加する。そのため、この領域では、ＥＧＲバルブ１１の開度を大きくするとともに、排気シャッタ２３の開度を全開よりも若干減少させ排気管７を絞って、ＥＧＲ通路９の連結部における排気ガス圧力を高める。これによって、冷却器２００で冷却され吸気通路５に再循環する排気ガスの量は大幅に増加し、また、排気ガス導入機構からの内部ＥＧＲによる再循環排気ガスも加わって、本来であれば大量に生じるＮＯｘの発生量を抑制することが可能となる。

ディーゼルエンジンの燃料噴射量がさらに増加して全負荷近傍となる運転領域では、排気ガス温度もさらに上昇し、高排気温度領域Ｚに移行する。この領域でも切替弁１０２を開放し、ＰＭは第１の連続再生式ＤＰＦ１２において捕集するようにしている。ＮＯｘの発生量は中間排気温度領域Ｙほど問題にはならないので、燃料経済性やエンジンの運転性を考慮し、ＥＧＲバルブ１１を閉鎖しクールＥＧＲを停止する。しかし、このときも排気ガス導入機構からの内部ＥＧＲにより一定量の排気ガスは再循環されており、過剰なＮＯｘが発生することはない。

上述した実施態様における排気浄化装置の作動を、図６に示すフローチャートに基づき説明する。エンジンの運転がスタートすると図示しない燃料噴射装置によりエンジンに燃料が供給される。制御手段１０はエンジン回転速度検出センサ１５およびアクセルセンサ１６からのエンジン回転速度信号（Ｎｅ）とアクセル開度信号（ＡＣＬ）を読み込み（ステップＳ１）、制御手段１０内に格納された燃料噴射マップに応じて燃料噴射量を決定する（ステップＳ２）。そして制御手段１０は、この時の燃料噴射量をエンジンの負荷Ｑとして検出する。このようにしてエンジン負荷Ｑを検出した後、制御手段１０は、エンジン負荷と検出されたエンジン回転速度に基づいて、やはり制御装置１０内に格納された、図４に示す排気温度領域判定マップより現在の排気温度領域を検出する（ステップＳ３）。

図４に示すＸ、Ｙ、Ｚの境界線は、主にマップを作成する際のエンジンの排気温度に関する試験結果と、第１の連続再生式ＤＰＦにおける酸化触媒１２１の活性温度領域を参照して設定される。Ｘの低排気温度領域は、酸化触媒１２１の活性温度領域よりも低くなる領域である。そして、Ｘ１は低排気温度領域のうちでも温度が低い低温域、Ｘ２は低温度領域のうち比較的温度の高い高温域となっている。Ｘ１とＸ２との境界線、つまり高温域と低温域との境界線は、低温度領域におけるＮＯｘの発生状況あるいは第２の連続再生式ＤＰＦの作動特性などを勘案し、実験的に定められている。

中間排気温度領域であるＹ領域は、ほぼ酸化触媒１２１の活性温度領域に対応した領域であり、高排気温度領域であるＺ領域は、酸化触媒１２１の活性温度領域よりも高くなる領域として設定されている。ただし、これらの領域及びその境界線は、採用するディーゼルエンジンの運転特性や排気ガス特性、あるいは採用する酸化触媒１２の特性によって使用者が適宜変更できることはいうまでもない。上記低排気温度領域は必ずしも２つだけに分割するのではなく、必要に応じて３つ以上に細分化してもよいし、中間排気温度領域と高排気温度領域との分割についても同様である。

ステップＳ３によって排気温度領域が検出されると、その温度領域に応じて、切替弁１０２、吸気シャッタ２２、排気シャッタ２３及びＥＧＲバルブ１１などの制御を実行するステップに進む。

まず、温度領域判定手段で低排気温度領域Ｘにあるか否かを判定し（ステップＳ４）、この領域にあると判定されたときは、切替弁１０２を閉じ排気ガスを第２の連続再生式ＤＰＦ１３に導入させる（ステップＳ５）。さらに低排気温度領域の内低温域Ｘ１にあるか否かを判定する（ステップ6）。ここで低温域Ｘ１にあると判定されたときは、クールＥＧＲを停止するためＥＧＲバルブ１１を閉鎖し（ステップ７）、排気温度を上昇させるため、吸気シャッタ２２の開度を５％に、排気シャッタ２３の開度を５０％にそれぞれ設定する（ステップ８）。ステップ６で低温域Ｘ１ではないと判定されたときは、低排気温度領域Ｘ内の高温域Ｘ２にあることになるので、切替弁１０２を閉じた（ステップＳ５）後において、ＥＧＲバルブ１１を開いてクールＥＧＲを導入し（ステップ９）、吸気シャッタ２２を開度２０％まで開き、排気シャッタ２３を全開とする（ステップ１０）。

上記ステップ４において低排気温度領域Ｘにないと判定されたときは、第１の連続再生式ＤＰＦ１２を作動させるよう切替弁１０２を全開とする（ステップ１１）。さらに中間排気温度領域Ｙにあるかどうかについて判定する（ステップ１２）。ここで中間排気温度領域Ｙにあると判定されたときは、切替弁１０２を全開とした（ステップ１２）後において、ＥＧＲバルブ１１を大きく開くとともに（ステップ１３）、吸気シャッタ２２を全開とし排気シャッタ２３の開度を９０％として（ステップ１４）、シリンダ内に大量のクールＥＧＲを導入する。ステップ４で中間排気温度領域Ｙではないと判定されたときは、高排気温度領域Ｚにあることになるので、ＥＧＲバルブ１１を閉じてクールＥＧＲをカットし（ステップ１５）、吸気シャッタ２２及び排気シャッタ２３を全開とする（ステップ１６）。

このようにして、本発明のディーゼルエンジンにおいては、各温度領域に応じて排気浄化装置の各要素の制御が実施される。そして、エンジンの排気温度が低排気温度領域Ｘ内にあるときは、領域内の高温域Ｘ２であるか低温域Ｘ１であるかを判定し、低温域Ｘ１であればＥＧＲバルブ（１１）を閉じて内部ＥＧＲのみを行う一方、高温域Ｘ２であればＥＧＲバルブ（１１）を開いてＮＯｘ抑制効果の大きいクールＥＧＲを同時に行う。また、低排気温度領域Ｘ内では吸気シャッタ２２を絞り、ＮＯｘを低減しながら連続再生式ＤＰＦの早期の活性化を達成している。エンジンの排気温度が、低排気温度領域Ｘを越えて第１の連続再生式ＤＰＦ１２の触媒活性温度に達したとき、すなわち、エンジンの排気温度が低排気温度領域Ｘ内の高温域Ｘ２から中間排気温度領域Ｙに上昇したときは、高温域Ｘ２で絞られていた吸気シャッタ２２が瞬時には全開しない。そのため、排気ガスの空気過剰率が小さくなって未燃焼成分が多くなり、この未燃焼成分が第１の連続再生式ＤＰＦ１２の酸化触媒により酸化されて温度が上昇する結果、安定した触媒の活性温度の保持が可能となる。
なお、吸気シャッタ２２及び排気シャッタ２３の開度を、各温度領域で一定開度に保持することは必ずしも必要ではなく、この開度の近傍において排気温度等のパラメータに応じて開度が連続的に変化するよう制御することもできる。ＥＧＲバルブ１１の開度については、これが開かれている温度領域では、運転状態などに応じて連続的に変化するよう制御することが好ましい。

この実施態様のディーゼルエンジンにおいては、排気温度領域をエンジン回転速度と負荷により検出したが、本発明はこれに限るものではなく、エンジンの排気管７に設けられる排気温度センサ２１０により、直接的に排気温度領域を検出してもよい。また、酸化触媒とＤＰＦを別体で記載しているが、ＤＰＦに酸化触媒となる材料を直接担持させて一体的に構成された連続再生式ＤＰＦや、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒をＤＰＦに担持させた連続再生式ＤＰＦ、さらには有効に機能する温度領域が限られた触媒を利用した他の連続再生式ＤＰＦについても同様に本発明が適用可能であることはもちろんである。

本発明に基づくディーゼルエンジンの排気浄化装置の概略図である。本発明における第２の連続再生式ディーゼルパティキュレートフィルタの拡大図である。本発明における排気ガス導入機構の実施形態を示す図である。本発明における排気温度領域マップである。本発明における排気温度領域別の制御態様を示す表である。本発明における制御手段の制御フローチャートである。従来のディーゼルエンジンの排気浄化装置を示す図である。

符号の説明

２エンジン本体
３吸気マニホールド
４排気マニホールド
５吸気通路
６エアクリーナ
７排気通路
８ターボチャージャー
８１排気タービン
８２吸気コンプレッサ
９排気ガス環流（ＥＧＲ）通路
１０制御手段
１１ＥＧＲバルブ
１２第１の連続再生式ディーゼルパティキュレートフィルタ
１２１酸化触媒
１２２ディーゼルパティキュレートフィルタ
１３第２の連続再生式ディーゼルパティキュレートフィルタ
１４ＮＯｘ触媒
１５エンジン回転速度検出センサ
１６アクセルセンサ
１７吸気温度センサ
２２吸気シャッタ
２３排気シャッタ
３０吸気バルブ
３１吸気カム
４０排気バルブ
４１排気バルブ作動機構
４２排気カム
１０１バイパス通路
１０２切替弁
１２１酸化触媒
１２２ディーゼルパティキュレートフィルタ
１３１酸化触媒
１３２ディーゼルパティキュレートフィルタ
２００冷却器（ＥＧＲクーラ）
２１０排気温度センサ
４２１排気カムプロフィール
４２２排気導入カムプロフィール

Claims

エンジンの排気通路に配置され、酸化触媒を備えた第１の連続再生式ディーゼルパティキュレートフィルタと、前記第１の連続再生式ディーゼルパティキュレートフィルタよりも上流の上流側排気通路をバイパスするバイパス通路と、排気ガスの流路を前記上流側排気通路又は前記バイパス通路へ切り換える切替弁と、前記バイパス通路に配設され、酸化触媒を備えた第２の連続再生式パティキュレートフィルタとを有し、かつ、
排気ガス再循環量を制御するＥＧＲ弁と排気ガスを冷却する冷却器とを介して、前記エンジンの吸気通路に排気ガスを再循環するＥＧＲ装置と、前記エンジンの排気通路をエンジン吸気行程において短時間エンジンのシリンダに蓮通させる排気ガス導入機構と、前記エンジンの吸気通路に配設された吸気シャッタとを有するディーゼルエンジンにおいて、
前記エンジンの排気温度が、前記第１の連続再生式ディーゼルパティキュレートフィルタにおける酸化触媒の活性温度以下の低排気温度領域であるか否かを判定する温度領域判定手段を備えており、
前記エンジンの排気温度が前記低排気温度領域内にあるときは、前記切替弁により排気ガスの流路を前記バイパス通路へ切り換え、次いで、ＮＯｘの発生状況を基に低排気温度領域における高温域にあるか低温域にあるかを判定し、高温域にあるときは、前記吸気シャッタを絞るとともに前記ＥＧＲ弁を開いて排気ガスを吸気通路に再循環する一方、低温域にあるときは、前記吸気シャッタを絞るとともに前記ＥＧＲ弁を閉じて排気ガスの再循環を停止し、
前記エンジンの排気温度が前記低排気温度領域を越えたときは、前記切替弁により排気ガスの流路を前記上流側排気通路へ切り換えた後に、前記吸気シャッタを全開とし、前記ＥＧＲ弁を開いて排気ガスを吸気通路に再循環することを特徴とするディーゼルエンジンの排気浄化装置。
前記第２の連続再生式パティキュレートフィルタは、前記第１の連続再生式パティキュレートフィルタよりも小容量である、請求項１記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
前記温度領域判定手段は、前記エンジンの排気温度が、前記低排気温度領域よりも高い中間排気温度領域であるか、又は前記中間排気温度領域よりもさらに高い高排気温度領域であるかを判定する判定手段を備えており、
前記高排気温度領域では、前記ＥＧＲ弁を閉じて排気ガスの再循環を停止するように制御される、請求項１又は請求項２記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
前記ディーゼルエンジンは、前記エンジンの負荷を検出するエンジン負荷検出手段と、エンジンの回転速度を検出するエンジン回転速度検出手段と、エンジン負荷とエンジン回転速度に応じて前記エンジンの排気温度領域を設定した排気温度領域判定マップとを有する請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
前記ディーゼルエンジンは、前記低排気温度領域内の低温域にあるときは、前記吸気シャッタを前記高温域のときよりも強く絞る請求項1乃至請求項４のいずれかに記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
前記ディーゼルエンジンは、排気通路に配設された排気シャッタを有し、前記エンジンの排気温度が前記低排気温度領域の低温域にあるときは、前記排気シャッタにより排気通路を絞るように制御される、請求項５記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。