JP2004300942A - 排気ガス浄化システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】エンジンEの排気通路2に配設され、排気ガスG中の粒子状物質を浄化する排気ガス浄化システム1において、排気ガスG中の粒子状物質を浄化するフィルタ本体11を、耐熱性と非導電性を備えた多孔質セラミックスのウオールフロータイプのハニカム構造体で形成し、該フィルタ本体11の両端の千鳥状の目封じのための閉塞部材を電極12,13で形成すると共に、該フィルタ本体の両端の前記電極12,13の間に粒子状物質を浄化する際に常時電圧Vaを印加するように構成する。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、連続再生型ディーゼルパティキュレートフィルタを備えて、エンジンの排気ガスを浄化する排気ガス浄化システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンから排出される粒子状物質(PM:パティキュレート・マター:以下PMとする)の排出量は、NOx,COそしてHC等と共に年々規制が強化されてきており、規制の強化に伴いエンジンの改良のみでは、対応できなくなってきている。そこで、エンジンから排出されるPMをディーゼルパティキュレートフィルタ(DPF:Diesel Particulate Filter :以下DPFとする)と呼ばれるフィルタで捕集して、外部へ排出されるPMの量を低減する技術が開発されている。
【0003】
直接、このPMを捕集するDPFにはセラミックス製のモノリスハニカム型ウオールフロータイプのフィルタや、セラミックスや金属を繊維状にした繊維型タイプのフィルタ等があり、これらのDPFを用いた排気ガス浄化システムは、他の排気ガス浄化システムと同様に、エンジンの排気通路の途中に設置され、エンジンで発生する排気ガスを浄化している。
【0004】
このDPFはフィルタがPMを捕集すると捕集量に比例して排圧が上昇するので、捕集されたPMを燃焼させるなどして除去し、DPFを再生する必要がある。この再生方法には色々な方法が提案されており、間欠型再生方法のシステムと連続再生方式のシステムがある。
【0005】
そして、間欠型再生方法のシステムでは、殆どが、PM捕集用と捕集されたPMの再生用の二系統の排気系統の排気浄化システムを有し、各系統のフィルタでPM捕集時と再生時を交互に切り換え、PM除去の専用のシステムで再生しており、電気ヒーター加熱タイプ、バーナー加熱タイプ、逆洗タイプ等がある。
【0006】
しかしながら、この間欠型再生方法のシステムでは、再生が運転条件に影響され難く、再生効率も高いという利点があるが、外部からエネルギーの供給を受けてPMの燃焼を行うので、燃費の悪化を招き、また、一つのフィルタの捕集量が多くなり、再燃焼の時に燃焼制御が難しくなるという問題がある。また、二系統のDPFシステムが必要になるので、システムが大きく複雑になり、コストが高くなるため、乗用車に向かないという問題もある。
【0007】
一方、連続再生方式のシステムは、間欠型再生方式のシステムの問題点を解決すべく提案されたシステムであり、触媒及びNO2 によるPMの酸化反応によって通常のフィルタよりもPM酸化開始排気温度を下げてPMの連続再生を実現するシステムであり、酸化触媒を利用しPMの再生温度を下げ、外部からエネルギーを受けることなく、エンジンからの排気熱でPMを酸化してDPFを再生する。この場合には、PM再生が基本的には連続的になるため、より簡素化された一系統のDPFシステムとなり、再生制御も簡素化されるという利点がある。
【0008】
図8に一例として示すNO2 再生型DPFシステム1Xは、NO2 (二酸化窒素)によりPMを酸化して、DPFを再生するシステムであり、通常のウオールフローフィルタ3Abの上流に酸化触媒3Aaを配置し、排気ガス中のNO(一酸化窒素)を酸化し、発生するNO2 で、下流側のフィルタ3Abに捕集されたPMを酸化してCO2 (二酸化炭素)とし、PMを除去している。このNO2 は、O2 よりエネルギー障壁が小さいため、PM酸化温度(DPF再生温度)を低下させるので、外部からエネルギーの供給なしに排気ガス中の熱エネルギーで連続的にPM燃焼が生じるとされている。しかし、この再生温度はNO2 濃度に影響される。
【0009】
なお、図8のEはディーゼルエンジン、2は排気通路、4は燃料ポンプシステム、5は電子制御ボックス、7はバッテリー、8は消音器、9は燃料タンクである。
【0010】
また、図9に、図8のNO2 再生型DPFシステムの改良システム1Yを示す。この改良システム1Yは、酸化触媒32Aの多孔質触媒コート層31をウオールフローフィルタ3Bの多孔質壁面30に塗布し、NOの酸化とこれにより発生したNO2 によるPMの酸化を、ウオールフローフィルタ3Bの壁表面上で行うように構成し、システムを簡素化している。しかし、触媒をウオールフローフィルタ3Bの壁表面に塗るため初期のフィルタ圧損が増大する傾向にある。
【0011】
そして、図10に、ウオールフローフィルタ3Cの多孔質壁面30に、白金等の酸化触媒32Aと酸化物等のPM酸化触媒32Bの多孔質触媒コート層31を塗布し、フィルタ3Cに蓄積したPMを低温で直接触媒で燃焼し、連続再生するシステム1Zを示す。このシステム1Zは、システム1XのようにNO2 濃度に影響されない利点があるが、固体の煤を主成分とするPMを触媒で燃焼させるのは、接触表面積の関係から難しいという問題を持っている。
【0012】
しかしながら、これらの連続再生方式のシステムにおいては、PMの酸化開始温度は下がるが、まだ、350℃程度の排気温度は必要であるため、低負荷運転やアイドル運転等のエンジン運転条件では、排気温度が不足し、PM再生が生じないという問題があり、また、NOxの排出量の少ない運転条件では、PMの酸化開始温度が上昇するという問題がある。
【0013】
従って、このようなアイドルや低負荷等の排気温度が低いエンジン運転状態や低NOxエンジン運転状態が継続するとPMが蓄積してもPM酸化状態にならないため、排圧が上昇し、燃費の悪化を招き、また、エンジン停止等のトラブルが生じるおそれがある。
【0014】
そこで、これらの連続再生型DPFシステムでは、エンジン運転条件からフィルタへのPM蓄積量を算出したり、又は、PM蓄積量に対応したフィルタ圧損からPM蓄積量を推定したりして、DPF再生必要条件を設定し、このDPF再生必要条件を満たした時に、排気温度を強制的に上昇させて、蓄積したPMを強制的に燃焼させて除去するDPF再生制御を行っているが、PM蓄積量の多い場合に、このPM再生を行うと、多量に蓄積されたPMが急激に燃焼してフィルタ内の温度が高温となる異常燃焼が発生し、フィルタの溶損やクラックによる破損が生じるという問題がある。
【0015】
これらの問題を解決するために、フィルタを通電可能に形成して、フィルタの電気抵抗に起因する発熱でフィルタの捕集されたPMを燃焼除去するシステムが提案されている。
【0016】
その一つとして、比較的低温度でPMを燃焼除去するために、耐熱性に優れ且つ通電性を揺する多孔性の成形体でフィルタを形成し、フィルタの内圧の上昇に応じて、このフィルタ自体に通電し、この通電による抵抗加熱でPMの着火温度以上に昇温させてPMを燃焼除去するPMトラップ用フィルタが提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
【0017】
また、多孔質の導電性セラミックスとPTC特性を有するセラミックスからなる複合体で形成した自己発熱可能なフィルタで構成し、このフィルタを通電状態にして加熱すると共にPTC特性により温度制御して、フィルタに吸着したPMを酸化分解する排気ガス処理用フィルターが提案されている(例えば、特許文献2参照。)。
【0018】
【特許文献1】
特開平07−253013号公報
【特許文献2】
特開平06−323129号公報
【0019】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらのフィルタ自体を通電可能に形成し、フィルタ自体に通電する方式では、フィルタの材料が特殊となる上、フィルタ全体を加熱するために、必要な加熱エネルギーが大きくなるので、電力消費量が多くなり、エンジンシステム全体としての効率が低下し、燃費が悪化するという問題が生じる。
【0020】
本発明は、上述の問題を解決するべくなされたものであり、その目的は、電力消費量が少なく、排気ガスの流量や排気ガス温度等のエンジン運転条件によって影響されずに、十分な再生能力を有し、安定したPM再生を行うことができる排気ガス浄化システムを提供することにある。
【0021】
【課題を解決するための手段】
以上のような目的を達成するための排気ガス浄化システムは、エンジンの排気通路に配設され、排気ガス中の粒子状物質を浄化する排気ガス浄化システムにおいて、排気ガス中の粒子状物質を浄化するフィルタ本体を、耐熱性と非導電性を備えた多孔質セラミックスのウオールフロータイプのハニカム構造体で形成し、該フィルタ本体の両端の千鳥状の目封じのための閉塞部材を電極で形成すると共に、該フィルタ本体の両端の前記電極の間に粒子状物質を浄化する際に常時電圧を印加するように構成される。
【0022】
そして、上記の排気ガス浄化システムにおいて、前記フィルタ本体を、コーディエライトで形成する。また、前記排気ガス浄化システムは、酸化触媒又はPM酸化触媒の少なくとも一方を用いた連続再生型排気ガス浄化システムにも適用できる。
【0023】
本発明は、ウオールフロータイプのハニカム構造のフィルタを使用する排気ガス浄化システムにおいて、フィルタ本体の両端の閉塞部に金属製等の電極を配置し、この電極に高電圧を印加しておくことにより、PM中のPMが電気伝導物で導電性を有するため、PMの蓄積に伴って、PMに直接電流が流れてPMが直接発熱して燃焼し、除去される。
【0024】
従って、排気ガス流量、温度等のエンジン運転条件によって再生能力が影響されることがなく、すべての運転条件において、安定した確実なPM再生を行うことができる。
【0025】
また、通電可能となるPM蓄積量に達すると、即座に通電・発熱・燃焼の再生が行われるので、フィルタの目詰まりによる排圧上昇が少なく、エンジンの燃費の悪化が少なくなる。
【0026】
その上、PM堆積量が少なく通電可能でない場合には通電されず、しかも、フィルタ本体の全体を加熱してPMの再生を行うのではなく、PM捕集量が一定以上になった部分のみを通電により加熱して再生するので、熱損失が少なく、低エネルギーで再生を行うことができ、少ない電力消費量で効率よく排気ガス浄化システムのフィルタを再生できる。
【0027】
また、フィルタでPMを捕集している最中に、再生を行えるので、連続再生方式のシステムとすることができ、再生用、捕集用の2系統のフィルタシステムが不要となるので、装置を小型化できる。
【0028】
更に、酸化触媒又はPM酸化触媒の少なくとも一方を用いた連続再生型排気ガス浄化システムに適用すると、PMの燃焼開始温度(酸化開始温度)を下げることができるので、より低い印加電圧で、かつ、より少ない電力消費量でより効率よく再生できる。
【0029】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化システムについて、図面を参照しながら説明する。
【0030】
図1に、この排気ガス浄化システム1の構成を示す。この排気ガス浄化システム1では、ディーゼルエンジンEの排気マニホールドに接続する排気通路(排気管)2のエンジンEと消音器8の間に電極付きDPF3が設けられている。この電極付きDPF3の配置は、再生エネルギーを考慮するとエンジンEに近い位置が望ましい。
【0031】
また、ディーゼルエンジンEは、燃料タンク9から供給される燃料を、燃料ポンプシステム4により供給され、バッテリー7を電源とする電子制御ボックス(ECU:エンジンコントロールユニット)5による制御の元で燃料噴射し、発生した排気ガスGは、排気通路2と通り電極付きDPF3で浄化された排気ガスGcとなり、消音器8を経由して大気中に排出される。
【0032】
図2〜図5に示すように、この電極付きDPF3は、フィルタ本体11と入口側電極12と出口側電極13とからなり、入口側電極12と出口側電極13は電源14に接続され、エンジンの運転時には、入口側電極12と出口側電極13の間のフィルタ本体11には高電圧Vaが常時印加されるように構成される。
【0033】
この電極12,13への印加電圧Vaは昇圧器(図示しない)によって電圧を上げられており、好ましくは、この印加電圧VaをPM捕集量、エンジン出口排圧によって、効率よくPMの再燃が生じるように、電子制御する。
【0034】
このフィルタ本体11は、コーディエライト製で、多孔質のセラミックスの壁11wで区切られたチャンネル(通路:セル)11cの入口と出口を交互に目封じしたモノリスハニカム型ウオールフロータイプのフィルタで形成される。
【0035】
この入口側の千鳥状の目封じは、入口側電極12となる金属材料で形成された閉塞部材で行われ、出口側の千鳥状の目封じは、出口側電極13となる金属材料で形成された閉塞部材で行われる。なお、この電極12,13はハニカムフィルタの両端部をそれぞれを目封じするが、図3及び図5に示すように、開放部分の孔12h,13hの口径は、ハニカムのチャンネル11cの口径よりも小さく形成し、ハニカムの壁11wより、チャンネル11cの内側に電極12,13が張り出すように形成する。
【0036】
この構成では、排気ガスG中のPM(粒子状物質)は、排気ガスGが多孔質のセラミックスの壁11wを通過する時に、壁11wの表面に捕集される。
【0037】
次に、フィルタ再生について説明する。
【0038】
図5に示すように、PMがフィルタの壁11wに捕集及び蓄積されていない場合には、フィルタ本体11を形成するコーディエライトは、電気抵抗が非常に大きい絶縁物質であるので、入口側電極12と出口側電極13に電源14により高電圧Vaを印加しても、電流計15でも図示するように電流は流れず、電力消費も発生しない。
【0039】
一方、図6に示すように、PMがフィルタの壁11wに捕集及び蓄積されてくると、PMの主成分であるPM(Soot)は導電性を有し電流が流れるので、入口側電極12と出口側電極13との間に電圧Vaを印加しておくと、入口側電極12の開放部分の孔12hの張出部分12aと、出口側電極13の目封じ部分13aとの間が蓄積されたPMにより導通する。
【0040】
この導通により、電流が流れるので、PMの電気抵抗により直接PMが発熱して昇温し、着火燃焼温度以上になると着火して燃焼し、CO2 になり除去される。この燃焼は、排気ガスG流れに沿って下流方向に伝播燃焼して行くので、このフィルタの壁11wに蓄積されたPMは燃焼除去される。
【0041】
そして、PMが燃焼除去されると、電気を通すPMが無くなるので、電流が流れなくなる。これを繰り返し、捕集しながら、一定以上に蓄積したPMを電流により発熱させて燃焼除去する。
【0042】
つまり、電極12,13に常時電圧Vaをかけておき、PMが捕集されPMにより電極12,13間の電気抵抗が低下し通電が生じるとその部分のPMが発熱し、燃焼が起こり再生が行われる。
【0043】
このPMの燃焼除去に際しては、PMの蓄積量が一定以上にならないと導通しないので、電力消費が起こらず、一定以上のPMが捕集されて始めて導通し、PMの一部が燃焼除去されると、導通がなくなり、PMの燃焼による熱で、燃焼が伝播するので、非常に少ない電力消費量で効率よくPMを燃焼除去できる。
【0044】
しかも、フィルタ本体11の全体に通電するのではなく、蓄積されたPMに対して局部的に通電され、PMの蓄積量が局部的に多いとその部分の電流による発熱が大きくなるので、エネルギーの効率が非常によい。
【0045】
次に、電極12,13の印加電圧Vaについて説明する。
【0046】
この電極12,13の印加電圧Vaは、一定電圧であってもよいが、より効率よく電力エネルギーを使用するために、エンジン回転、負荷等のエンジン運転状態からPM排出量を算出し、PMの排出量が多いエンジン運転条件が続く場合に、印加電圧Vaを上げる制御を行い、PMの再生を速める。この印加電圧制御フローを図7に示す。
【0047】
この図7の印加電圧制御フローは、エンジンのスタートと共にスタートし、エンジンの運転中は、ステップS11からステップS16のステップを繰り返し実行し、エンジンの停止と共に制御を停止し、終了するものとして示してある。 この図7の印加電圧制御フローがスタートすると、ステップS11で、印加電圧Vaを予め設定されている初期印加電圧V1とする。また、電圧上昇時間tuをゼロにセットする。
【0048】
次のステップS12では、エンジン回転速度Neとエンジン負荷Qとから、予め入力されているマップデータ等を参照してPM排出量Mcを算出する。
【0049】
次のステップS13では、計測排圧PmのチェックとPM排出量Mcのチェックを行い、計測排圧Pmが、所定の判定値P1より小さく、かつ、PM排出量Mcが所定の判定値M1より小さい場合には、印加電圧Vaを変更せずに、ステップS12に戻る。
【0050】
ステップS13のチェックで、計測排圧Pmが、所定の判定値P1より大きいか、あるいは、PM排出量Mcが所定の判定値M1より大きい場合には、ステップS14に行き、電極への印加電圧Vaを上昇させ(Va=Va+ΔVa)、また、電圧上昇時間tuをカウント(tu=tu+Δtu)してから、ステップS15に行く
ステップS15では、設定通電時間taが所定の判定値t1以下か否かをチェックする。電圧上昇時間tuが所定の設定通電時間t1以下の場合は、ステップS14に戻り、電圧上昇時間tuが所定の設定通電時間t1を超えるまで、ステップS14の印加電圧Vaの上昇(Va=Va+ΔVa)を行い、電圧上昇時間tuが所定の設定通電時間t1を超えると、ステップS11に戻り、印加電圧Vaを初期印加電圧V1に戻し、ステップS12以降を繰り返す。
【0051】
このステップS11〜ステップS15を繰り返して行い、エンジンのキーOFFにより、割り込みが発生し、この制御フローはストップし、終了する。
【0052】
この印加電圧制御フローに従った制御により、PM排出量Mcが低い場合と、計測排圧Pmが低い場合では、印加電圧Vaを所定の初期印加電圧V1として継続し、エンジンの運転状態がPM排出量Mcが多い場合、あるいは、目詰まりが進行してきて計測排圧Pmが高くなった場合には、電圧上昇時間tuが所定の設定通電時間t1を超えるまで、印加電圧Vaを上昇し続け、電圧上昇時間tuが所定の設定通電時間t1を超えると、印加電圧Vaを所定の初期印加電圧V1に戻すことができる。
【0053】
なお、本発明は、上記の排気ガス浄化システム1に限定されず、他のDPFシステム、特に、連続再生方式のDPFシステムにも適用できる。
【0054】
例えば、図8のような酸化触媒3Aaをフィルタ3Abの前に配置したNO2 再生型DPFシステム1Xにおいて、フィルタ3Abを電極付きフィルタとしたり、図9に示すようなNO2 再生型DPFシステムの改良システム1Yの酸化触媒32Aを担持したウオールフローフィルタ3Bを、酸化触媒32Aを担持した電極付きフィルタとしたり、また、図10に示すような、白金等の酸化触媒32Aと酸化物等のPM酸化触媒32Bを担持したウオールフローフィルタ3Cを、白金等の酸化触媒32Aと酸化物等のPM酸化触媒32Bを担持した電極付きフィルタとすることができる。
【0055】
これらの本発明の電極付きフィルタを適用した連続再生方式のDPFシステムによれば、PMの燃焼開始温度が低下するので、より少ない電力消費量でより効率よくDPFを再生することができるようになる。
【0056】
【発明の効果】
以上に説明をしたように、本発明の排気ガス浄化システムによれば、フィルタ本体の両端に常時電圧を印加した電極を配置したので、PMが蓄積して通電可能になった場合に、このPMが溜まった部分に局所的に電流が流れ、この電流によりPMが発熱昇温して着火し、燃焼が開始される。
【0057】
そのため、排気ガス流量、温度等のエンジン運転条件によって再生能力が影響されることがなく、すべての運転条件において、安定した確実なPM再生を行うことができる。しかも、暴走燃焼に移行する程の蓄積量にまでPMが蓄積することがなくなり、フィルタの溶損や破損を回避できる。
【0058】
また、通電可能となるPM蓄積量に達すると、即座に通電・発熱・燃焼の再生が行われるので、フィルタの目詰まりによる排圧上昇が少なく、エンジンの燃費の悪化が少なくなる。
【0059】
そして、フィルタ本体に通電してフィルタ全体を暖めるのではなく、PMを直接加熱するので熱損失が小さく、更に、PMが蓄積した時のみ、しかも、蓄積した部分のみに電流が流れ、また、通電によりPMが燃焼消滅すると、再び電流は流れなくなるので、消費電力が非常に小さくなる。
【0060】
その上、この排気ガス浄化システムは、フィルタでPMを捕集している最中に、再生を行えるので、連続再生方式のDPFシステムとなり、一系統のDPFシステムとして小型化でき、しかも、再生制御が、一定電圧の印加、または、印加電圧の制御となり、非常にシンプルな制御となる。
【0061】
また、酸素触媒とPM酸化触媒の少なくとも一方を用いた連続再生型排気ガス浄化システムにおいては、PMの燃焼開始温度(酸化開始温度)が下がるので、より低い印加電圧で、より少ない電力消費量で、より効率よく再生できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化システムの構成図である。
【図2】本発明に係るフィルタ本体と電極を模式的に示す図である。
【図3】本発明に係るフィルタ本体の構造を模式的に示す部分断面図である。
【図4】本発明に係るフィルタの壁の構成を示す部分拡大断面図である。
【図5】フィルタの壁にPMが堆積していない状態を示す図である。
【図6】フィルタの壁にPMが堆積し、通電により燃焼を開始している状態を示す図である。
【図7】印加電圧制御フローの一例を示す図である。
【図8】従来技術の排気ガス浄化システムの一例を示すシステム構成図である。
【図9】従来技術の排気ガス浄化システムの他の一例を示すシステム構成図である。
【図10】従来技術の排気ガス浄化システムの他の一例を示すシステム構成図である。
【符号の説明】
1 排気ガス浄化システム
2 排気通路(排気管)
3 電極付きDPF
11 フィルタ本体
12 入口側電極
13 出口側電極
14 電源
E ディーゼルエンジン
G 排気ガス
Gc 浄化された排気ガス
Va 印加電圧(高電圧)
Claims (3)
- エンジンの排気通路に配設され、排気ガス中の粒子状物質を浄化する排気ガス浄化システムにおいて、排気ガス中の粒子状物質を浄化するフィルタ本体を、耐熱性と非導電性を備えた多孔質セラミックスのウオールフロータイプのハニカム構造体で形成し、該フィルタ本体の両端の千鳥状の目封じのための閉塞部材を電極で形成すると共に、該フィルタ本体の両端の前記電極の間に粒子状物質を浄化する際に常時電圧を印加することを特徴とする排気ガス浄化システム。
- 前記フィルタ本体を、コーディエライトで形成することを特徴とする請求項1記載の排気ガス浄化システム。
- 前記排気ガス浄化システムが、酸化触媒又はPM酸化触媒の少なくとも一方を用いた連続再生型排気ガス浄化システムであることを特徴とする請求項1又は2記載の排気ガス浄化システム。
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