JP2008057496A - 排気ガス浄化装置及び排気ガス浄化方法 - Google Patents

排気ガス浄化装置及び排気ガス浄化方法 Download PDF

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Abstract

【課題】排気ガス中のパティキュレートを捕集するフィルタ部材が過昇温状態になることを抑制することができる排気ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】エンジンの排気経路２に、排気ガスＧ中のパティキュレートを捕集するフィルタ部材３が介設された排気ガス浄化装置１は、排気ガス中のＣＯ２をフィルタ部材より下流側の排気経路からフィルタ部材より上流側の排気経路へ還流させる還流経路５と、該還流経路内に設けられ、排気ガス中のＣＯ２を吸収・放出するＣＯ２吸収部６と、該ＣＯ２吸収部を加熱する加熱ヒータ８を備え、フィルタ部材に堆積したパティキュレートが燃焼浄化される際に、フィルタ部材の温度及び該温度の上昇度合いに基づいて、フィルタ部材の温度が所定温度Ｔ２以上になると予測される場合、ＣＯ２吸収部からＣＯ２を放出させるようにＣＯ２吸収部が加熱ヒータにより加熱される。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンの排気経路に、排気ガス中に含まれるパティキュレートを捕集するフィルタ部材を介設し、排気ガスを浄化するようにした排気ガス浄化装置及び排気ガス浄化方法に関する。
例えば自動車等のエンジンの排気系には、ＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）等の大気汚染物質を含んだ排気ガスを浄化するための排気ガス浄化装置が配設されている。また、ディーゼルエンジンの場合には、前記物質の他にＰＭ（パティキュレート）が含有しているため、これを捕集するためにディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）が備えられている。またさらに、希薄燃焼ガソリンエンジンにおいても、ディーゼルエンジンほどではないもののＰＭを排出しやすいので、パティキュレートフィルタ（ＰＦ）を備えることが望まれる。
かかる例えばＤＰＦを備えた車両では、走行距離やＤＰＦの背圧に基づいて、ＤＰＦに堆積したパティキュレートを燃焼させ酸化させて除去するＤＰＦの再生処理が一般に行われている。このＤＰＦの再生処理として、例えば、エンジンの排気系にＮＯｘ吸蔵材を配置し、リーン（酸素過剰）雰囲気時にＮＯｘ吸蔵材にＮＯｘ成分を吸蔵させ、リッチ（酸素不足）雰囲気時にＮＯｘ吸蔵材に吸蔵させたＮＯｘ成分を放出してパティキュレートと接触させ、パティキュレートを燃焼させる方法が知られている。
また、ＤＰＦの再生処理としては、エンジンの排気系にディーゼル用酸化触媒（ＤＯＣ）を配置し、燃料噴射量を増加させて排気ガス中のＨＣ成分を過剰状態にすることにより、ＨＣ成分を酸化触媒によって燃焼させ、その燃焼熱によってＤＰＦの温度を上昇させてパティキュレートを燃焼させる方法も知られている。
しかし、ＤＰＦの再生処理においては、一旦パティキュレートの燃焼が開始されると、パティキュレートの燃焼が終了するまで成り行きに任せる場合が多い。これに対し、排気ガス浄化装置の状態を制御することが知られており、例えば特許文献１には、ＣＯ２吸収放出材を利用して排気浄化触媒の状態を適切に制御することを企図し、エンジンの排気経路に、排気浄化触媒と、排気浄化触媒よりも上流側に設けられるＣＯ２吸収放出材と、ＣＯ２吸収放出材を加熱するための発熱装置とを備えた排気ガス浄化装置が開示されている。
特開２００４ー２７０４７７号公報
しかし、前記特許文献１に開示されるように、排気浄化触媒より上流側の排気経路に発熱装置やＣＯ２吸収放出材が設けられた排気ガス浄化装置では、排気ガス中に含まれるパティキュレートが、発熱装置やＣＯ２吸収放出材に堆積する畏れがある。発熱装置にパティキュレートが堆積すると、発熱装置においてパティキュレートが着火し、所望の排気ガス温度を確保することが困難になり、排気浄化触媒が過昇温状態になり得る。ＣＯ２吸収放出材においても、パティキュレートが堆積するとＣＯ２の吸収・放出性能が損なわれたりＣＯ２の吸収量や放出量に誤差が生じたりする場合がある。
また、排気ガス中のパティキュレートを捕集するフィルタ部材を備えた排気ガス浄化装置において、フィルタ部材が再生処理される際にパティキュレートが燃焼し終わるまでパティキュレートの燃焼を成り行きに任せると、パティキュレートの堆積量や堆積分布等によっては、パティキュレートが局部的又は暴走的に燃焼する場合がある。かかる場合には、フィルタ部材が過昇温状態となり、フィルタ部材が溶損したり割れたりする畏れがある。
そこで、この発明は、前記技術的課題に鑑みてなされたものであり、排気ガス中のパティキュレートを捕集するフィルタ部材が過昇温状態になることを抑制することができる排気ガス浄化装置及び排気ガス浄化方法を提供することを目的とする。
このため、本願の請求項１に係る排気ガス浄化装置は、エンジンの排気経路に、排気ガス中のパティキュレートを捕集するフィルタ部材が介設されてなる排気ガス浄化装置であって、排気ガス中のＣＯ２を前記フィルタ部材より下流側の前記排気経路から前記フィルタ部材より上流側の前記排気経路へ還流させる還流経路と、該還流経路内に設けられ、排気ガス中のＣＯ２を吸収するＣＯ２吸収部と、該ＣＯ２吸収部に吸収されるＣＯ２の吸収量を検出するＣＯ２吸収量検出手段と、を備え、前記ＣＯ２吸収量検出手段は、前記ＣＯ２吸収部の発熱温度又は発熱量に基づいて前記ＣＯ２吸収部に吸収されるＣＯ２の吸収量を検出することを特徴としたものである。
また、本願の請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、前記ＣＯ２吸収部に、該ＣＯ２吸収部を加熱するＣＯ２吸収部加熱手段が設けられていることを特徴としたものである。
更に、本願の請求項３に係る排気ガス浄化方法は、エンジンの排気経路に介設され、排気ガス中のパティキュレートを捕集するフィルタ部材と、該フィルタ部材に堆積したパティキュレートの堆積量を推定するパティキュレート堆積量推定手段と、前記フィルタ部材の温度を検出するフィルタ部材温度検出手段と、前記フィルタ部材より下流側の前記排気経路から前記フィルタ部材より上流側の前記排気経路へ排気ガス中のＣＯ２を還流させる還流経路と、該還流経路内に設けられ、所定のＣＯ２吸収温度範囲にあるときに排気ガス中のＣＯ２を吸収する一方、前記所定のＣＯ２吸収温度範囲より高い所定のＣＯ２放出温度範囲にあるときに吸収しているＣＯ２を放出するＣＯ２吸収部と、該ＣＯ２吸収部を加熱するＣＯ２吸収部加熱手段と、前記ＣＯ２吸収部の発熱温度又は発熱量に基づいて前記ＣＯ２吸収部に吸収されるＣＯ２の吸収量を検出するＣＯ２吸収量検出手段とを用いて、排気ガスを浄化するようにした排気ガス浄化方法であって、前記ＣＯ２吸収部に排気ガス中のＣＯ２が吸収されている状態で、前記パティキュレート堆積量推定手段によって前記フィルタ部材に所定量以上のパティキュレートが堆積されていると推定され、前記フィルタ部材に堆積したパティキュレートが燃焼浄化される際に、前記フィルタ部材温度検出手段によって検出される前記フィルタ部材の温度及び該温度の上昇度合いに基づいて、前記フィルタ部材の温度が所定温度以上になると予測される場合、前記ＣＯ２吸収部に吸収されているＣＯ２を前記ＣＯ２吸収部から放出させ前記フィルタ部材より上流側の前記排気経路へ導入させるように、前記ＣＯ２吸収部が、前記フィルタ部材の温度及び該温度の上昇度合いに応じて前記ＣＯ２吸収部加熱手段により加熱されることを特徴としたものである。
本願の請求項１に係る排気ガス浄化装置によれば、排気ガス中のＣＯ２を還流させる還流経路と、ＣＯ２吸収部と、ＣＯ２吸収量検出手段とを備え、ＣＯ２吸収量検出手段は、ＣＯ２吸収部の発熱温度又は発熱量に基づいてＣＯ２の吸収量を検出することにより、ＣＯ２吸収部に吸収しているＣＯ２の吸収量を比較的容易に検出することができる。
前記排気ガス浄化装置では、フィルタ部材に堆積したパティキュレートの燃焼時に、ＣＯ２吸収部に吸収しているＣＯ２をフィルタ部材より上流側の排気経路に導入し、排気ガス中の酸素濃度を低下させてパティキュレートの燃焼を緩慢化させ、フィルタ部材が過昇温状態になることを抑制することができる。
また、本願の請求項２に係る発明によれば、ＣＯ２吸収部に、該ＣＯ２吸収部を加熱するＣＯ２吸収部加熱手段が設けられていることにより、ＣＯ２吸収部加熱手段を用いてＣＯ２吸収部に吸収されるＣＯ２吸収量を調節することができ、前記効果をより有効に奏することができる。
更に、本願の請求項３に係る排気ガス浄化方法によれば、ＣＯ２吸収部に吸収されているＣＯ２をＣＯ２吸収部から放出させフィルタ部材より上流側の排気経路へ導入させるように、ＣＯ２吸収部が、フィルタ部材の温度及び該温度の上昇度合いに応じてＣＯ２吸収部加熱手段により加熱されることにより、フィルタ部材の温度及び該温度の上昇度合いに応じてＣＯ２吸収部からＣＯ２を放出させることができ、排気ガス中の酸素濃度を効果的に低下させてパティキュレートの燃焼を緩慢化させ、フィルタ部材が過昇温状態になることを抑制することができる。
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係る排気ガス浄化装置の構成を概念的に示す説明図である。図１に示すように、例えばディーゼルエンジン等のエンジン（不図示）から排出される排気ガスＧを浄化するための排気ガス浄化装置１が、エンジンの排気経路２に設けられている。
排気ガス浄化装置１は、排気ガスＧ中に含まれるパティキュレートを捕集するためのフィルタ部材３と、排気ガスＧ中に含まれるＨＣ、ＣＯを酸化して浄化するための酸化触媒４とを備え、フィルタ部材３と酸化触媒４とはそれぞれ、排気経路２に介設されている。酸化触媒４は、フィルタ部材３より上流側の排気経路２に設けられ、酸化触媒４には、触媒金属Ｐｔ、酸素吸蔵材、アルミナ等が含有されている。
フィルタ部材３は、例えばコージェライト又は炭化珪素などの材料から成形され、排気ガスＧの流れ方向に細長い複数の通路から構成されている。複数の通路の端面が交互に目封じされるとともに該通路の壁面に細孔が設けられ、該細孔を通じて排気ガスＧが隣接する通路間を流れる際に、排気ガスＧ中のパティキュレートが通路の壁面に捕集されて堆積する。なお、フィルタ部材３には、排気ガスＧを浄化するために触媒金属Ｐｔ、酸素吸蔵材、アルミナ等を含む触媒層が形成され得る。
また、フィルタ部材３の前後の排気経路２には、フィルタ部材３より上流側の排気経路２の圧力を検出する第１の圧力センサ１２と、フィルタ部材３より下流側の排気経路２の圧力を検出する第２の圧力センサ１３とが設けられている。排気ガス浄化装置１では、第１及び第２の圧力センサ１２、１３を用いて、フィルタ部材３の前後の差圧が測定され、この差圧に基づいてフィルタ部材３に捕集したパティキュレートの堆積量が推定される。
なお、本実施の形態では、前記第１、第２の圧力センサ１２、１３を用いてパティキュレートの堆積量を推定するが、別の方法として、エンジン負荷とエンジンから排出されるパティキュレートとの関係をマップとしてコントロールユニット３０（後述する）に収納しておき、走行距離やエンジン負荷の積算からパティキュレートの捕集量を推定するものであっても良い。
本実施形態に係る排気ガス浄化装置１は、排気ガスＧ中のＣＯ２をフィルタ部材３より下流側の排気経路２からフィルタ部材３より上流側の排気経路２へ還流させる構成として、図１に示すように、フィルタ部材３より下流側の排気経路２から分岐してフィルタ部材３より上流側の排気経路２に繋がる還流経路５を備えている。
排気経路２には、還流経路５によって分岐される分岐点Ｐ１よりも下流側に排気ガスＧの流量を制御する第１の制御弁Ｖ１が介設され、還流経路５には、排気経路２から分岐する分岐点Ｐ１よりも還流経路５側に還流経路５に流入する排気ガスＧの流量を制御する第２の制御弁Ｖ２が介設されている。
また、還流経路５に、第２の制御弁Ｖ２からフィルタ部材３より上流側の排気経路２へ向かって、排気ガスＧ中に含まれるＣＯ２を吸収するＣＯ２吸収部６と、ＣＯ２吸収部６に吸収されているＣＯ２をフィルタ部材３より上流側の排気経路２へ還流させる際にＣＯ２の流量を制御する第３の制御弁Ｖ３と、還流経路５を通じてフィルタ部材３より上流側の排気経路２へ排気ガスＧ中のＣＯ２を導入させる一方、フィルタ部材３より上流側の排気経路２から還流経路５へ排気ガスＧが流入することを防止する逆止弁７が順次設けられている。
ＣＯ２吸収部６は、還流経路５に流入する排気ガスＧからＣＯ２を吸収するためのＣＯ２吸収材を備え、該ＣＯ２吸収材は、例えば４００℃〜６００℃など所定のＣＯ２吸収温度範囲にあるときにＣＯ２を吸収し、例えば７００℃〜８００℃など前記所定のＣＯ２吸収温度範囲より高い所定のＣＯ２放出温度範囲にあるときに吸収しているＣＯ２を放出する特性を有している。なお、ＣＯ２吸収材としては、例えばＬｉ２ＺｒＯ３、ＬｉＳｉＯ４、ＬｉＦｅＯ２などのＬｉ系化合物や、Ｂａ２ＴｉＯ４等を用いることができる。
ＣＯ２吸収部６の外周には、該ＣＯ２吸収部６を加熱するための、具体的にはＣＯ２吸収材を加熱するための加熱ヒータ８が設けられ、ＣＯ２吸収部６は、加熱ヒータ８によって加熱され、所定のＣＯ２吸収温度範囲にあるときに排気ガスＧからＣＯ２を吸収し、所定のＣＯ２放出温度範囲にあるときに吸収しているＣＯ２を放出する。
ＣＯ２吸収部６の下流側では、ＣＯ２吸収部６と第３の制御弁Ｖ３との間の還流経路５と、第１の制御弁Ｖ１より下流側の排気経路２とを繋ぐ第１のバイバス経路９が設けられ、第１のバイパス経路９には、該第１のバイパス経路９を流れる排気ガスＧの流量を制御する第４の制御弁Ｖ４が設けられている。
また、酸化触媒４とフィルタ部材３との間の排気経路２には、第５の制御弁Ｖ５を備えた第２のバイパス経路１５が設けられ、第５の制御弁Ｖ５は、フィルタ部材３より上流側の排気経路２の圧力が所定圧力以上にならないように開閉制御される。この第２のバイパス経路１５は、図示されていないが、フィルタ部材３より下流側の排気経路２に接続される。
更に、排気ガス浄化装置１は、フィルタ部材３の温度を検出する温度センサ１４と、ＣＯ２吸収部６の温度を検出する温度センサ１０とを備えており、温度センサ１０、１４として、例えば熱電対等が用いられる。なお、特に図示しないが、排気ガス浄化装置１に関係するその他の構成として、例えばエンジンへの燃料噴射量を制御する燃料噴射弁等が挙げられる。
また更に、図１に示すように、排気ガス浄化装置１には、排気ガス浄化装置１に関係する構成を制御するコントロールユニット３０が設けられている。このコントロールユニット３０は、排気ガス浄化装置１を総合的に制御する制御装置であり、圧力センサ１２、１３によって検出されるフィルタ部材３の前後の差圧、温度センサ１４によって検出されるフィルタ部材３の温度、温度センサ１０によって検出されるＣＯ２吸収部６の温度等の各種制御情報に基づいて、第１〜第５の制御弁Ｖ１〜Ｖ５及び燃料噴射弁の作動を制御するとともに、加熱ヒータ８の作動を制御し、燃料噴射制御及び排気ガス浄化制御等の各種制御を行う。なお、コントロールユニット３０は、マイクロコンピュータを主要部として構成されている。
このようにして構成される排気ガス浄化装置１において、ＣＯ２吸収部に吸収されるＣＯ２の吸収量を検出するに際し、本実施形態では、ＣＯ２吸収材に吸収されるＣＯ２吸収量と、ＣＯ２吸収材にＣＯ２が吸収されるときに発熱する発熱量の積算値との関係を評価した。具体的には、示差熱・熱重量分析装置を用いて、ＣＯ２吸収材にＣＯ２を含む評価ガスを流し、ＣＯ２吸収材の重量変化と発熱温度を測定し、ＣＯ２吸収材におけるＣＯ２吸収量と発熱量の積算値との関係を評価する試験を行った。
ＣＯ２吸収量と発熱量の積算値との関係を評価する試験に用いた装置及び試験条件等を以下に示す。なお、ＣＯ２吸収材としては、ＬｉＦｅＯ２粉末を用いた。
Ａ）試験に用いた装置及び試験条件等
・評価装置 ：示差熱・熱重量分析装置（ＴＧ−ＤＴＡ）
・ＣＯ２吸収材 ：ＬｉＦｅＯ２ １０ｍｇ
・評価ガス ：ＣＯ２＋Ｎ２（体積比でＣＯ２：Ｎ２＝５：９５）
・評価ガス流量 ：０．５Ｌ／ｍｉｎ
・ガス温度 ：５００℃
前記のように、ＣＯ２吸収材にＣＯ２を含む評価ガスを流しながら、ＣＯ２吸収材の重量変化と温度上昇を測定し、かかる重量変化及び温度上昇並びにＣＯ２吸収材の熱容量に基づいて算出されるＣＯ２吸収量及び発熱量の積算値をそれぞれ図２及び図３に示す。なお、ＣＯ２を含む評価ガスを流し始めてから１時間毎に、ＣＯ２吸収材の重量変化及び発熱温度を測定し、ＣＯ２吸収量及び発熱量の積算値を算出した。
図２は、ＣＯ２吸収材に吸収されるＣＯ２吸収量の変化を示すグラフであり、図２では、時間を横軸にとり、ＣＯ２吸収材に吸収されるＣＯ２吸収量を縦軸にとって表示している。また、図３は、ＣＯ２吸収材の発熱量の積算値の変化を示すグラフであり、図３では、時間を横軸にとり、ＣＯ２吸収材の発熱量の積算値を縦軸にとって表示している。
図２に示すように、ＣＯ２吸収材では、ＣＯ２を含む評価ガスを流し始めてから時間が経過するにつれてＣＯ２の吸収量が大きくなり、約８時間経過後にはＣＯ２吸収量が略飽和状態になっている。また、図３に示すように、ＣＯ２吸収材では、ＣＯ２を含む評価ガスを流し始めてから時間が経過するにつれて発熱量の積算値が大きくなり、約８時間経過後には発熱量の積算値が略飽和状態になっている。
更に、図２及び図３に示すように、ＣＯ２吸収材では、ＣＯ２を含む評価ガスを流し始めてからの時間に対して、ＣＯ２吸収材に吸収されるＣＯ２の吸収量と、ＣＯ２の吸収に伴ってＣＯ２吸収材が発熱する発熱量の積算値とが略対応している。従って、ＣＯ２吸収材においては、ＣＯ２吸収材の発熱量の積算値からＣＯ２吸収材に吸収されるＣＯ２の吸収量を算出することができる。
排気ガス浄化装置１では、ＣＯ２吸収部６にＣＯ２が吸収される際に発熱する発熱量が、温度センサ１０によって検出されるＣＯ２吸収部６の発熱温度に基づいて算出され、コントロールユニット３０では、ＣＯ２吸収部６の発熱温度とＣＯ２吸収材の熱容量とに基づいてＣＯ２吸収部６の発熱量、並びにＣＯ２の吸収量が算出される。
また、コントロールユニット３０に、ＣＯ２吸収部６の発熱温度及び該温度の温度勾配とＣＯ２吸収材の熱容量との関係を記憶したマップを備え、かかるマップに基づいて、温度センサ１０が、ＣＯ２吸収部６に吸収されるＣＯ２の吸収量を検出するようにしてもよい。なお、排気ガス浄化装置１に、ＣＯ２吸収部６の発熱量を測定する手段を設け、この測定された発熱量に基づいてＣＯ２吸収量を検出するようにしてもよい。このように、排気ガス浄化装置１では、ＣＯ２吸収部６の発熱温度又は発熱量に基づいてＣＯ２吸収部６に吸収されるＣＯ２の吸収量を検出するＣＯ２吸収量検出手段が設けられる。
また、コントロールユニット３０は、第１及び第２の圧力センサ１２、１３によって測定されるフィルタ部材３の前後の差圧に基づいて、フィルタ部材３に堆積したパティキュレートの堆積量を推定し、フィルタ部材３に所定量以上のパティキュレートが堆積していると推定すると、かかるパティキュレートを燃焼浄化させるため燃焼噴射量を増量させるように燃料噴射弁の作動を制御する。
以上のような構成を備えた排気ガス浄化装置１では、通常運転時、すなわちフィルタ再生処理を行っていない運転時に、一時的に、第１の制御弁Ｖ１及び第３の制御弁Ｖ３が閉じられ、第２の制御弁Ｖ２及び第４の制御弁Ｖ４が開かれる。これにより、エンジンから排出される排気ガスＧが、酸化触媒４とフィルタ部材３とを通じて浄化されるとともに、還流経路５及び第１のバイパス経路９を通じて流れ、加熱ヒータ８によって所定のＣＯ２吸収温度範囲に加熱されたＣＯ２吸収部６に排気ガスＧ中のＣＯ２が吸収される。
なお、ＣＯ２吸収部６に所定量のＣＯ２が吸収されると、第２の制御弁Ｖ２及び第４の制御弁Ｖ４が閉じられ、第１の制御弁Ｖ１が開かれ、排気ガスＧが排気経路２を通じて排出される。このＣＯ２吸収部６に吸収されるＣＯ２吸収量は、温度センサ１０によって測定される発熱温度に基づいて検出される。
そして、排気ガス浄化装置１では、第１及び第２の圧力センサ１２、１３により検出されるフィルタ部材３の前後の差圧が所定値以上になると、フィルタ部材３０に所定量のパティキュレートが堆積していると推定され、フィルタ部材３の再生処理が行われる。具体的には、コントロールユニット３０によって、エンジンへの燃料噴射量を増量させるように燃料噴射弁の作動が制御される。
エンジンへの燃料噴射量を増量させることにより、排気ガスＧ中のＨＣ成分を過剰状態にし、かかるＨＣ成分を酸化触媒４によって燃焼させ、この燃焼熱によって排気ガス温度を高めフィルタ部材３に堆積したパティキュレートの着火を引き起こし、パティキュレートを燃焼させる。
フィルタ部材３の再生処理時には、パティキュレートの燃焼に伴ってフィルタ部材３の温度が上昇し、このフィルタ部材３の温度が温度センサ１４によって検出される。本実施形態では、温度センサ１４によって検出されるフィルタ部材３の温度と該温度の上昇度合い、すなわちフィルタ部材３の温度の温度勾配とに基づいて、フィルタ部材３が過昇温状態になると予測される場合、ＣＯ２吸収部６に吸収されているＣＯ２を放出させるように加熱ヒータ８の作動が制御される。また、第１の制御弁Ｖ１が絞られ、第２の制御弁Ｖ２及び第３の制御弁Ｖ３が開状態にされる。なお、コントロールユニット３０は、フィルタ部材３の温度及びフィルタ部材３の温度の温度勾配に基づいて、フィルタ部材３が過昇温状態になるか予測する機能を備えている。
これにより、フィルタ部材３より下流側の排気経路２内の排気ガスＧの一部が、還流経路５を通じてフィルタ部材３より上流側の排気経路２内に還流させられるとともに、ＣＯ２吸収部６に吸収しているＣＯ２が放出され、ＣＯ２が還流経路５を通じてフィルタ部材３より上流側の排気経路２へ導入される。このように、還流経路５を通じてＣＯ２をフィルタ部材３より上流側の排気経路２へ導入させることで、フィルタ３より上流側の排気経路２における排気ガスＧ中の酸素濃度を低下させ、フィルタ部材３においてパティキュレートの燃焼を緩慢化させることができる。
図４は、パティキュレートの燃焼時におけるフィルタ部材の温度を模式的に示すグラフである。図４では、時間を横軸にとり、フィルタ部材の温度を縦軸にとって表示している。なお、図４では、通常のフィルタ部材の再生処理時におけるフィルタ部材の温度曲線Ｌ１を実線で示し、フィルタ部材３が過昇温状態になると予測される場合のフィルタ部材３の温度曲線Ｌ２を二点鎖線で示している。
温度曲線Ｌ１に示すように、通常のフィルタ部材３の再生処理時には、再生処理開始時を時間Ｓ０とすると、具体的には燃料噴射量の増量開始時を時間Ｓ０とすると、フィルタ部材３は、時間Ｓ１において該フィルタ部材３の温度がＴ０であるＰ０状態からフィルタ部材３に堆積したパティキュレートの燃焼が開始され、パティキュレートの燃焼に伴ってフィルタ部材３の温度が上昇し、フィルタ部材３の温度が最高温度であるＰ１状態を経て、フィルタ部材３の温度が次第に低下する。
これに対し、フィルタ部材３が過昇温状態になると予測される場合には、温度曲線Ｌ２に示すように、温度曲線Ｌ１に比べて、フィルタ部材３の温度の温度勾配が大きくなっている。温度曲線Ｌ１の場合には、フィルタ部材３の温度が、時間Ｓ２において、例えば５００℃など第１の所定温度Ｔ１より低くなっているが、温度曲線Ｌ２では、第１の所定温度Ｔ１より高くなっている。ここで、第１の所定温度Ｔ１は、時間Ｓ２にフィルタ部材３の温度が第１の所定温度Ｔ１より低い場合にはフィルタ部材３が過昇温状態とならない温度である。
また、温度曲線Ｌ２では、パティキュレートの燃焼に伴ってフィルタ部材３の温度が上昇し、例えばＰ２状態において、フィルタ部材３の温度及びフィルタ部材３の温度の温度勾配に基づいて、フィルタ部材３の温度が、例えば８００℃など第２の所定温度Ｔ２以上になると予測される。ここで、第２の所定温度Ｔ２は、フィルタ部材３が過昇温状態となる温度である。
フィルタ部材３の温度が、第２の所定温度Ｔ２以上になると、フィルタ部材３が過昇温状態となり、フィルタ部材３の溶損や割れの発生を引き起こし得るが、本実施形態では、フィルタ部材３の温度が第２の所定温度Ｔ２以上になると予測される場合に、ＣＯ２吸収部６に吸収しているＣＯ２をフィルタ部材３より上流側の排気経路２内の排気ガスＧ中に導入し、パティキュレートの燃焼を緩慢化させ、フィルタ部材が過昇温状態になることを回避する。
なお、排気ガス浄化装置１では、ＣＯ２吸収部６からＣＯ２を放出させてパティキュレートの燃焼を緩慢化させた後に、フィルタ部材３が過昇温状態にならないと予測される、例えば６００℃など第３の所定温度Ｔ３以下になると、第１の制御弁Ｖ１が再び開かれ、第２の制御弁Ｖ２及び第３の制御弁Ｖ３が閉じられる。
図５は、本実施形態に係る排気ガス浄化装置の制御フローチャートである。排気ガス浄化装置１では、先ず、加熱ヒータ８によってＣＯ２吸収部６が、例えば４００℃〜６００℃など所定のＣＯ２吸収温度範囲に加熱され、ＣＯ２吸収部６に備えられたＣＯ２吸収材が昇温させられる（ステップ＃１）。
そして、第１の制御弁Ｖ１が閉じられ、第２の制御弁Ｖ２及び第４の制御弁Ｖ４が開かれ、ＣＯ２吸収材に対して排気ガスＧ中のＣＯ２の吸収が開始される（ステップ＃２）。ＣＯ２が吸収される際にＣＯ２吸収部６の発熱量が検出され（ステップ＃３）、発熱量の積算値が所定値に達すると、すなわちＣＯ２吸収部６に所定量のＣＯ２が吸収されると、第１の制御弁Ｖ１が開かれ、第２の制御弁Ｖ２及び第４の制御弁Ｖ４が閉じられ、ＣＯ２の吸収が完了される（ステップ＃４）。
次に、ステップ＃５で、フィルタ部材３の前後の差圧が所定値以上であるか否かが判定される。すなわち、フィルタ部材３に所定量のパティキュレートが堆積されているか否かが判定される。ステップ＃５での判定結果がＹＥＳになると、フィルタ部材３の再生処理が開始される（ステップ＃６）。具体的には、燃料噴射量を増量させて排気ガス温度を上昇させ、フィルタ部材３に堆積したパティキュレートを燃焼させる。
フィルタ部材３の再生処理が開始されると、フィルタ部材３の温度が第１の所定温度Ｔ１以上であるか否かが判定され（ステップ＃７）、これがＹＥＳの場合、すなわち、フィルタ部材３の温度が第１の所定温度Ｔ１以上の場合には、次に、フィルタ部材３の温度が、例えば６００℃など第３の所定温度Ｔ３を超えており、且つ、例えば８００℃など第２の所定温度Ｔ２以上になるか否かが判定される（ステップ＃８）。フィルタ部材３の温度と該温度の上昇度合いに基づいて、フィルタ部材３が過昇温状態となるか否かが予測される。
ステップ＃８での判定結果がＹＥＳの場合、すなわち、フィルタ部材３の温度が、第３の所定温度Ｔ３を超えており、且つ、第２の所定温度Ｔ２以上になると予測される場合には、加熱ヒータ８によってＣＯ２吸収部６が所定のＣＯ２放出温度範囲に加熱されるとともに、第１の制御弁Ｖ１が絞られ、第２の制御弁Ｖ２及び第３の制御弁Ｖ３が開かれ、ＣＯ２吸収部６に吸収しているＣＯ２の放出が開始され、ＣＯ２が還流経路５を通じてフィルタ部材３より上流側の排気経路２に導入される（ステップ＃９）。
ＣＯ２吸収部６に吸収しているＣＯ２の放出が開始されると、次に、フィルタ部材３の温度が第３の所定温度Ｔ３以下であるか否かが判定される（ステップ＃１０）。ステップ＃１０での判定結果がＹＥＳになると、加熱ヒータ８によるＣＯ２吸収部６の加熱を停止させるとともに、第１の制御弁Ｖ１が再び開かれ、第２の制御弁Ｖ２及び第３の制御弁Ｖ３が閉じられ、ＣＯ２吸収部６ではＣＯ２の放出が停止され、フィルタ部材３より上流側の排気経路２へのＣＯ２の導入が停止される（ステップ＃１１）。
一方、ステップ＃８での判定結果がＮＯの場合、すなわち、フィルタ部材３の温度が、第３の所定温度Ｔ３以下である場合、又は第２の所定温度Ｔ２以上にならないと予測される場合、ＣＯ２吸収部６からＣＯ２が放出されることなく、フィルタ部材３の再生処理が行われる。
また、ステップ＃７での判定結果がＮＯの場合には、すなわち、フィルタ部材３の温度が第１の所定温度Ｔ１より低い場合には、フィルタ部材３の再生開始から所定時間が経過したか否かが判定される（ステップ＃１２）。図４に示す時間Ｓ２が経過したか否かが判定される。ステップ＃１２での判定結果がＹＥＳの場合には、ＣＯ２が放出されることなく、フィルタ部材３の再生処理が行われるが、ステップ＃１２での判定結果がＮＯの場合には、ステップ＃７において再び、フィルタ部材３の温度が第１の所定温度Ｔ１以上であるか否かが判定され、この判定結果に応じて図５に示すフローチャートに従って制御される。
前記のように、本実施形態では、フィルタ部材３の再生処理時に、フィルタ部材３の温度が第２の所定温度Ｔ２以上になると予測される場合、フィルタ部材３の温度及び該温度の上昇度合いに基づいて、ＣＯ２吸収部６に吸収されているＣＯ２をＣＯ２吸収部６から放出させフィルタ部材３より上流側の排気経路２へ導入させる。
なお、ステップ＃７とステップ＃８との間に、すなわち、フィルタ部材３の温度が第１の所定温度Ｔ１以上であると判定された後に、フィルタ部材３の温度が第２の所定温度Ｔ２以上になるか否かが判定される前に、ＣＯ２吸収部６が加熱手段８によって予熱されるステップを設けるようにしてもよい。かかる場合には、ステップ＃８においてフィルタ部材３の温度が第２の所定温度Ｔ２以上になると判定された際に、ステップ＃９において応答性良くＣＯ２の放出を開始することができる。
また、コントロールユニット３０は、温度センサ１０によって検出されるフィルタ部材３の温度及び該温度に基づいて算出されるフィルタ部材３の温度の上昇度合いに基づいて、フィルタ部材３の温度が第２の所定温度Ｔ２以上になると予測される場合、フィルタ部材の温度及びフィルタ部材の温度の上昇度合いに応じて、ＣＯ２吸収部６を加熱するように加熱ヒータ８の作動を制御する機能を備えている。
更に、コントロールユニット３０は、フィルタ部材３の再生処理時に、ＣＯ２吸収部６を加熱するように加熱ヒータ８の作動を制御する場合、フィルタ部材３の温度が第３の所定温度Ｔ３以下になると、加熱ヒータ８の作動を停止させる。また更に、コントロールユニット３０は、圧力センサ１２及び１３から測定されるフィルタ部材３の前後の差圧に基づいてフィルタ部材３に堆積したパティキュレートの堆積量を推定する機能も備えている。
本実施形態では、第３の所定温度Ｔ３として、第１の所定温度Ｔ１より高い温度が設定されているが、第３の所定温度Ｔ３と第１の所定温度Ｔ１とを同じ温度に設定することも可能である。かかる場合には、ステップ＃８においてフィルタ部材３の温度が、第２の所定温度以上になるか否かが判定される。
このように、本実施形態に係る排気ガス浄化装置１によれば、排気ガスＧ中のＣＯ２を還流させる還流経路５と、ＣＯ２吸収部６と、ＣＯ２吸収量検出手段１０とを備え、ＣＯ２吸収量検出手段１０は、ＣＯ２吸収部６の発熱温度又は発熱量に基づいてＣＯ２の吸収量を検出することにより、ＣＯ２吸収部に吸収しているＣＯ２の吸収量を比較的容易に検出することができる。
前記排気ガス浄化装置では、フィルタ部材に堆積したパティキュレートの燃焼時に、ＣＯ２吸収部に吸収しているＣＯ２をフィルタ部材より上流側の排気経路に導入し、排気ガス中の酸素濃度を低下させてパティキュレートの燃焼を緩慢化させ、フィルタ部材が過昇温状態になることを抑制することができる。
また、ＣＯ２吸収部６に、該ＣＯ２吸収部６を加熱する加熱ヒータ８が設けられていることにより、加熱ヒータを用いてＣＯ２吸収部に吸収されるＣＯ２吸収量を調節することができ、前記効果をより有効に奏することができる。
更に、本実施形態に係る排気ガス浄化方法によれば、ＣＯ２吸収部６に吸収されているＣＯ２をＣＯ２吸収部６から放出させフィルタ部材３より上流側の排気経路２へ導入させるように、ＣＯ２吸収部６が、フィルタ部材３の温度及び該温度の上昇度合いに応じて加熱ヒータ８により加熱されることにより、フィルタ部材の温度及び該温度の上昇度合いに応じてＣＯ２吸収部からＣＯ２を放出させることができ、排気ガス中の酸素濃度を効果的に低下させてパティキュレートの燃焼を緩慢化させ、フィルタ部材が過昇温状態になることを抑制することができる。
本実施形態では、ディーゼルエンジンの排気系に配設される排気ガス浄化装置について記述しているが、前記排気ガス浄化装置は、例えばガソリンエンジンなどその他のエンジンの排気系に配設することも可能である。かかる場合においても、エンジンの排気系に配設されるフィルタ部材が過昇温状態になることを抑制することができる。
以上のように、本発明は、例示された実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計上の変更が可能であることは言うまでもない。
本発明は、フィルタ部材が過昇温状態になることを抑制することができる排気ガス浄化装置及び排気ガス浄化方法であり、特に、ディーゼルエンジンやＰＭを排出する希薄燃焼ガソリンエンジンを備えた車両の排気系に好適に適用可能である。
本実施形態に係る排気ガス浄化装置の構成を概念的に示す説明図である。 ＣＯ２吸収材に吸収されるＣＯ２吸収量の変化を示すグラフである。 ＣＯ２吸収材の発熱量の積算値の変化を示すグラフである。 パティキュレートの燃焼時におけるフィルタ部材の温度を模式的に示すグラフである。 本実施形態に係る排気ガス浄化装置の制御フローチャートである。
符号の説明
１ 排気ガス浄化装置
２ 排気経路
３ フィルタ部材
５ 還流経路
６ ＣＯ２吸収部
８ 加熱ヒータ
１０、１４ 温度センサ
１２、１３ 圧力センサ
３０ コントロールユニット
Ｇ 排気ガス

Claims (3)

  1. エンジンの排気経路に、排気ガス中のパティキュレートを捕集するフィルタ部材が介設されてなる排気ガス浄化装置であって、
    排気ガス中のＣＯ２を前記フィルタ部材より下流側の前記排気経路から前記フィルタ部材より上流側の前記排気経路へ還流させる還流経路と、
    該還流経路内に設けられ、排気ガス中のＣＯ２を吸収するＣＯ２吸収部と、
    該ＣＯ２吸収部に吸収されるＣＯ２の吸収量を検出するＣＯ２吸収量検出手段と、
    を備え、
    前記ＣＯ２吸収量検出手段は、前記ＣＯ２吸収部の発熱温度又は発熱量に基づいて前記ＣＯ２吸収部に吸収されるＣＯ２の吸収量を検出する、
    ことを特徴とする排気ガス浄化装置。
  2. 前記ＣＯ２吸収部に、該ＣＯ２吸収部を加熱するＣＯ２吸収部加熱手段が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
  3. エンジンの排気経路に介設され、排気ガス中のパティキュレートを捕集するフィルタ部材と、該フィルタ部材に堆積したパティキュレートの堆積量を推定するパティキュレート堆積量推定手段と、前記フィルタ部材の温度を検出するフィルタ部材温度検出手段と、前記フィルタ部材より下流側の前記排気経路から前記フィルタ部材より上流側の前記排気経路へ排気ガス中のＣＯ２を還流させる還流経路と、該還流経路内に設けられ、所定のＣＯ２吸収温度範囲にあるときに排気ガス中のＣＯ２を吸収する一方、前記所定のＣＯ２吸収温度範囲より高い所定のＣＯ２放出温度範囲にあるときに吸収しているＣＯ２を放出するＣＯ２吸収部と、該ＣＯ２吸収部を加熱するＣＯ２吸収部加熱手段と、前記ＣＯ２吸収部の発熱温度又は発熱量に基づいて前記ＣＯ２吸収部に吸収されるＣＯ２の吸収量を検出するＣＯ２吸収量検出手段とを用いて、排気ガスを浄化するようにした排気ガス浄化方法であって、
    前記ＣＯ２吸収部に排気ガス中のＣＯ２が吸収されている状態で、前記パティキュレート堆積量推定手段によって前記フィルタ部材に所定量以上のパティキュレートが堆積されていると推定され、前記フィルタ部材に堆積したパティキュレートが燃焼浄化される際に、前記フィルタ部材温度検出手段によって検出される前記フィルタ部材の温度及び該温度の上昇度合いに基づいて、前記フィルタ部材の温度が所定温度以上になると予測される場合、前記ＣＯ２吸収部に吸収されているＣＯ２を前記ＣＯ２吸収部から放出させ前記フィルタ部材より上流側の前記排気経路へ導入させるように、前記ＣＯ２吸収部が、前記フィルタ部材の温度及び該温度の上昇度合いに応じて前記ＣＯ２吸収部加熱手段により加熱されることを特徴とする排気ガス浄化方法。
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