JP2009528476A - 触媒作用を付与した煤フィルターを備えてなる排気機構 - Google Patents

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Abstract

リーンバーン内燃機関用の排気機構であって、(a)触媒作用を付与したフィルター(CSF)(32)、(b)制御装置(38)、(c)該制御装置により制御可能な、該CSF中に流れ込む排ガス中の燃焼可能なＨＣおよび／またはＣＯの含有量を増加させ、それによって、該ＨＣおよび／またはＣＯを該CSF中で燃焼させ、該CSFの温度を増加させ、該CSF上に集められたPMを燃焼させる手段(18)、及び(d)エンジンマニホルド(28)と該CSFとの間に配置された、該排気機構中を流れる排ガス中のＣＯおよび／またはＨＣを燃焼させ、該制御装置に、該排ガス中のＨＣおよび／またはＣＯの燃焼エンタルピーに相関するデータを入力する、触媒作用を付与したセンサー手段(36)を備えてなり、該制御装置が、使用中に、燃焼可能なＨＣおよび／またはＣＯの導入手段を、該データに応答して制御し、それによって、該CSFを燃焼可能なＨＣおよび／またはＣＯに接触させる速度を制御する、排気機構。

Description

本発明は、触媒作用を付与した煤フィルター(CSF)、制御装置、及び該制御装置により制御することができる、該CSF中に流れ込む排ガス中の燃焼可能な炭化水素(HC)及び／または一酸化炭素(ＣＯ)の含有量を増加させ、それによって、該CSF中でＨＣ及び／またはＣＯを燃焼させ、該CSFの温度を増加させ、該CSF上に集められた粒子状物質(PM)を燃焼させる手段を備えてなる、リーンバーン内燃機関用の排気機構に関する。
CSFを使用し、軽負荷ディーゼル車両(関連する法律で制定されている)におけるPM、ＣＯ及びＨＣの排ガス放出物規制に適合させることは公知である。CSFの使用に関する公知の問題は、排ガス温度が比較的低い、例えば150〜200℃である時、例えば長時間のアイドリング及び／または低速度走行条件にある時、PMがCSF上に蓄積し得ることである。そのような状況下では、PMがCSF上に蓄積するにつれて、機構中の背圧が過度に増加することがある。典型的には、この問題は、CSFを能動的に再生する、即ちCSF中にエネルギーを能動的に導入し、PMを燃焼させる、手段を採用することにより、対処される。
そのような能動的な再生方法の一つでは、CSF中に流れ込む排ガス中の燃焼可能なＨＣ(典型的にはエンジンに動力を与える燃料またはそこから誘導される生成物)及び／またはＣＯの含有量を増加させ、それによって、CSF中でＨＣ及び／またはＣＯを燃焼させ、CSFの温度を増加させ、CSF上に蓄積したPMを燃焼させる。そのような能動的再生工程は、CSFの状態を示す好適な指標、例えば機構中の、予め決められた閾値を超えて増加する背圧、前回の再生から経過した、予め決められた時間、または前回の再生から車両が予め決められた距離を走行すること、により起動される。そのような工程は、典型的には、好適なセンサー入力を受ける好適なプログラム化されたエンジン管理装置（ＥＣＵ）により管理される。
一般的に、排ガス中燃焼可能なＨＣ及び／またはＣＯの含有量を増加させる2つの手段、即ち排気機構中を流れる排ガス中にＨＣを直接噴射すること、及び一個以上のエンジンシリンダー中へのＨＣの噴射を制御すること、が使用される。後者の手段は、相手先商標製品製造業者(OEM)用途にはより一般的であり、コモンレール噴射装置の使用により、噴射の量及びタイミングの融通性を高めることができる。例えば、膨脹行程の際に２回のコモンレール噴射、即ち
(i)排気バルブが開く直前(下死点)に行う後記後噴射(late post-injection)、及びさらに
(ii)上死点の直後に加える早期後噴射(後噴射と呼ばれる)
を行い、燃焼温度を増加し、排ガスのＨＣ濃度を高くすることができる。
現在製造されている排気機構では、ディーゼル酸化触媒(DOC)はエンジンの全てのターボの下流に位置し、CSFはDOCの下流に配置されている。正常な運転の際、PMは、酸素またはＮＯ２(ＮＯ２は、DOCまたはCSF上で排ガス中のＮＯを酸化することから発生する)中で受動的に燃焼する。CSFを能動的に再生することが望ましい場合、排ガス中のＨＣおよび／またはＣＯ含有量を増加し、そのＨＣおよび／またはＣＯをCSFの上流にあるDOC上で燃焼させ、それによって増加した排ガス温度にCSFを露出し、CSF上でPMを燃焼させる。CSFの入口温度は、排ガス中に噴射されるＨＣおよび／またはＣＯの量を調整することにより、制御される。実際には、この制御は、熱電対を使用してCSF中に流れ込む(またはDOC後の)排ガスの温度を測定し、温度が低すぎる場合にはＨＣ噴射を増加し、温度が高すぎる場合には、ＨＣ噴射を減少させることにより、行う。この配置は、いわゆるECUを使用する閉ループ制御の一例である。
DOCは、シリンダー内燃焼に続いて排ガス中に残留するＣＯおよび／またはＨＣの酸化を促進し、法律で制定されている放出物標準に適合させる目的で設計される。
本明細書で規定するように、「熱電対」は、２本の異なったワイヤをそれらの末端で接合してループを形成し、２個の接合部間の温度差が接触電位を不均衡にし、そのループを回るように電流を流す。一方の接合部における温度を一定に維持すると、その電流を測定することにより、他方の温度が示される。
法律及び車両製造業者は、排ガス処理用の触媒を包含する排気機構部品の、耐久性の増加を要求している。従って、CSFへのエネルギー入力を注意深く制御し、触媒および／またはフィルター基材の熱的損傷を避ける必要がある。従って、必要とされる能動的再生の制御レベルは、CSFの温度を、PMの燃焼を促進するには十分であるが、予め決められた最大入口温度を超えない、予め決められたレベルに増加し、それによって、PM酸化によるCSF中の温度増加が予め決められた設計公差の中に確実に収まるようにすることである。
排気機構が、PM、ＣＯ及びＨＣを処理するのにDOCとCSFの両方の存在を必要とせず、代わりに、CSF装置を、DOCとCSFの両方の機能を果たすことができる触媒で被覆し、単一の触媒装置を提供することができれば、好ましいであろう。実際、燃焼可能なＨＣおよび／またはＣＯをCSF自体の上で燃焼させることにより、CSFの温度を、PMを燃焼させるのに十分な程度に上昇させることは、無論、可能である。しかし、触媒被覆及びフィルター基材を、損傷を起こす程高い温度、例えば＞650℃、に露出することは避けるが、CSF上でPMを燃焼させるのに十分なエネルギーをCSFに導入するために、CSFへのエネルギー入力を精確に制御する問題が残る。熱電対をCSF自体の中に配置して温度測定することができるが、そのような配置には多くの欠点がある。第一に、PMの燃焼から来る追加の熱を、排ガスから来るＨＣおよび／またはＣＯに由来する熱と区別することができず、従って、入口ガス状態を直接測定することは、困難、または現実的に不可能である。第二に、直径の小さな熱電対をCSFのセル構造中に配置することに関連する耐久性の問題がある、即ち熱電対またはフィルターが損傷を受けることがある。
ここで我々は、CSFの上流でＨＣおよび／またはＣＯを燃焼させるためのDOCを必要とせずに、CSFの能動的再生を制御する新規な方法を開発した。
米国特許第4,029,472号明細書は、排ガス、特に内燃機関排ガス中の残留燃焼可能物質を検出するためのセンサーを開示している。このセンサーは、一対の熱電対接合部を含んでなり、一方の接合部に触媒作用を付与してあり、接合部間の温度差が排ガス中の残留燃焼可能物質に比例する。この文書は、センサーをフロースルー触媒転化器から上流に配置し、排ガス流中の未燃焼ＨＣおよび／またはＣＯの実際の残留量を検出できることを示唆している。あるいは、このセンサーを触媒転化器から下流に取り付けた場合、このセンサーは、触媒転化器の効率監視に使用することができる。
ヨーロッパ特許第1580411号明細書は、ディーゼルエンジン用の、酸化触媒と、それに続く粒子状物質フィルターを備えてなる排気機構を開示している。酸化触媒は、白金及びパラジウムを0.05≦(Ｐｄ／Ｐｄ＋Ｐｔ)≦0.75の比で含んでなる。フィルター温度を増加させるには、燃料を酸化触媒中に供給する。
一態様で、本発明は、リーンバーン内燃機関用の排気機構であって、(a)触媒作用を付与したフィルター(CSF)、(b)制御装置、(c)該制御装置により制御可能な、該CSF中に流れ込む排ガス中の燃焼可能なＨＣおよび／またはＣＯの含有量を増加させ、それによって、該ＨＣおよび／またはＣＯを該CSF中で燃焼させ、該CSFの温度を増加させ、該CSF上に集められたPMを燃焼させる手段、及び(d)エンジンマニホルドと該CSFとの間に配置された、該排気機構中を流れる排ガス中のＣＯおよび／またはＨＣを燃焼させ、該制御装置に、該排ガス中のＨＣおよび／またはＣＯの燃焼エンタルピーに相関するデータを入力する、触媒作用を付与したセンサー手段を備えてなり、該制御装置が、使用中に、燃焼可能なＨＣおよび／またはＣＯの導入手段を、該データに応答して制御し、それによって、該CSFを燃焼可能なＨＣおよび／またはＣＯに接触させる速度を制御する、排気機構を提供する。
センサー手段は、該制御装置中のプロセッサーに、該CSF中に流れ込む排ガス中に存在するＨＣおよび／またはＣＯの燃焼により起こる該CSFの発熱温度上昇を推定させることができる。
一実施態様では、触媒作用を付与したセンサー手段は、触媒作用を付与した熱電対接合部を備えてなる。特別な実施態様では、熱電対触媒は、CSF中に使用する触媒、例えばアルミナ上に担持された白金、を含んでなる。適切に校正された、触媒作用を付与した熱電対は、熱電対触媒が排ガス中のＨＣおよび／またはＣＯを燃焼させ、発熱により熱電対接合部を加熱するので、下流にあるCSFの温度との直接的な相関関係を与えることができる。このようにして発生した信号を使用し、閉ループフィードバックにより、ＨＣおよび／またはＣＯの導入を制御し、それによって、CSFの温度を予め決められた範囲内に維持することができる。
別の実施態様では、触媒作用を付与したセンサー手段は、第一実施態様の触媒作用を付与した熱電対接合部を備えてなり、さらに、触媒作用を付与していない基準熱電対接合部を備えてなる。そのようなセンサーは、ここにその全文を参考として含める米国特許第4,092,472号明細書に記載されている。この2個の熱電対接合部の配置により、センサーが、CSF上のＨＣおよび／またはＣＯの燃焼に由来する熱、ならびにCSF前の排ガス温度を決定することができるので、制御装置にさらなるフィードバック制御を与えることができる。
CSF中の触媒は、典型的には少なくとも一種の白金族金属(PGM)を含んでなるが、特別な実施態様では、触媒はＰｔを単独で、または一種以上の他のPGMとの組合せで、例えばＰｔとＰｄの両方またはＰｔとＲｈの両方もしくはＰｔ、Ｐｄ及びＲｈの3種類全部を含んでなり、好適な助触媒、例えばＭｇ、Ｂａまたは希土類金属、例えばＣｅ、を包含する。フィルター基材モノリスを製造する元の材料が触媒を担持できるか、または触媒を、表面積を増加するウォッシュコート成分、例えば粒子状アルミナ、上に担持することができる。
特別な実施態様では、触媒作用を付与したセンサー手段が、排気機構中の、エンジンとCSFとの間に配置された唯一の触媒作用を付与した部品である。
一実施態様では、制御装置は、CSFの能動的再生の際にCSFの温度が650℃を超えるのを阻止(煤酸化から生じる熱を排除)し、それによって、CSF中の触媒が損傷を受ける可能性を下げるか、または防止するように設計される。
CSF中で所望の温度を達成し、再生を促進するために、一実施態様では、CSFの能動的再生の際にCSFが550℃以上に維持されるように、制御装置を設計する。
一実施態様では、排気機構が、排ガス中にある燃焼可能なＨＣおよび／またはＣＯの一部だけを燃焼させることにより発熱させるための、エンジンマニホルドと触媒作用を付与したセンサー手段との間に配置された酸化触媒を含んでなる。この酸化触媒は、排気機構を取り付けるべく設計されたエンジンの排気量の1/10〜1/3の体積を有する基材モノリスを含んでなることができる。
この実施態様における酸化触媒は、ＣＯおよびＨＣに関して法律で制定されている放出物標準に適合させることを意図していない点で、DOCとは完全に異なっている。その代わりに、この酸化触媒の任務は、CSFの温度を増加させるために排ガス中に導入された追加のＨＣおよび／またはＣＯの一部だけを燃焼させることである。
酸化触媒は、酸化触媒活性と基材モノリスの体積の組合せが、ＨＣ及びＣＯに関する関連する放出物標準に適合するには不十分であるように設計される。実際には、酸化触媒は、一種以上の白金族金属を含んでなることができる。一実施態様では、唯一のPGMが白金である。別の実施態様では、白金とパラジウムの両方を使用する。触媒中の総PGM装填量は、240 gft−３まででよい。
発熱性酸化触媒を含んでなる排気機構の一実施態様では、排気機構が、予め決められた作動条件の際に触媒をバイパスさせる手段を備えてなる。そのようなバイパス手段は、制御装置により制御できるバルブ配置により制御される導管を包含することができる。この実施態様により、当業者は、CSFへのエネルギー入力に関して、設計上、より広い選択の幅が得られる。
別の態様で、本発明は、内燃機関及び本発明の排気機構を提供する。エンジンは、ディーゼルエンジン、例えば軽負荷ディーゼルエンジン(関連する法制定による)、でよい。エンジンが自然吸気方式またはスーパーチャージ方式である場合、触媒作用を付与したセンサー手段は、エンジンマニホルドとCSFの間に配置することができる。あるいは、エンジンが過給機を備えている場合、触媒作用を付与したセンサー手段は、過給機出口とCSFの間に配置することができる。
一実施態様では、排ガス中にある燃焼可能なＨＣおよび／またはＣＯの含有量を増加させる手段が、エンジンのシリンダーにおける燃料噴射器を備えてなる。あるいは、またはそれに加えて、排ガス中にある燃焼可能なＨＣの含有量を増加させる手段が、エンジンの位置の下流にある排ガス中に燃焼可能なＨＣを噴射するための噴射器を備えてなることができる。排気機構が、上記のような酸化触媒を含んでなる場合、噴射器は酸化触媒の上流に配置する。
別の態様では、本発明は、内燃機関の排気機構で触媒作用を付与した煤フィルター(CSF)の能動的再生を制御する方法であって、
(i)該CSF中に流れ込む排ガス中にある燃焼可能な炭化水素(ＨＣ)および／または一酸化炭素(ＣＯ)の含有量を増加させ、それによって、該ＨＣおよび／またはＣＯを該CSF中で燃焼させ、該CSFの温度を増加し、該CSF上に集められた粒子状物質を燃焼させる工程、
(ii)該CSFの上流にある排ガス中のＨＣおよび／またはＣＯを、触媒作用を付与したセンサー手段上で燃焼させ、該排ガス中のＨＣおよび／またはＣＯの濃度を示す信号を発生させる工程、
(iii)該信号を、該排ガス中のＨＣおよび／またはＣＯの燃焼エンタルピーに関する値と相関させる工程、及び
(iv)工程(iii)で決定した該エンタルピー値に応答して、工程(i)における該ＨＣおよび／またはＣＯ含有量を制御し、それによって、該CSFの温度を予め決められた範囲内に維持する工程
を含んでなる、方法を提供する。
本発明をより深く理解できるようにするために、添付の図面を参照しながら本発明の実施態様を説明する。
図1に関して、本発明の装置を番号10で示すが、その際、12は軽負荷ディーゼルエンジン本体であり、14はピストンであり、16は燃焼チャンバーであり、18はコモンレール燃料噴射器であり、20は吸気口であり、22は排気口であり、24は吸気バルブであり、26は排気バルブであり、28は排気マニホルドであり、30は排気管であり、32はCSFであり、34は、CSFを収容し、それを排気管と連絡させて保持する排ガスディフューザを備えてなる缶であり、36は、触媒作用を付与した熱電対接合部及び触媒作用を付与していない基準熱電対接合部の両方を備えてなるセンサーであり、38は、使用の際に、センサー36から来る検出入力に応答してCSFの能動的再生の際にコモンレール燃料噴射器を制御するようにプログラム化されたエンジン管理装置(ECU)である。
使用の際、ECU 38は、前回の能動的再生を行って以来の走行距離を測定する。走行距離が予め決められた量、例えば1000 km、を超える場合、ECUが噴射器18を制御し、一連の噴射を開始して温度を増加させ、所望により、CSFに入る排ガスのＨＣおよび／またはＣＯを増加させる。ECU 38は、センサー上でＨＣおよび／またはＣＯを燃焼させることによる局所的な温度増加に対する、CSFに入る燃焼可能なＨＣおよび／またはＣＯの相対的な量を決定するように校正される。一連のルック−アップテーブルまたはマップにより、ECU 38は、検出された量のＨＣおよび／またはＣＯの燃焼により引き起こされる、CSF 32で起こりそうな温度上昇を決定し、それに従って、噴射器18を経由する燃焼可能なＨＣおよび／またはＣＯの噴射を制御する。
ECU 38が、CSF 32に入る燃焼可能なＨＣおよび／またはＣＯの速度により、予め決められた最高温度、例えば約650℃、を超えるCSF 32の温度上昇を引き起こすと決定した場合、ECU 38は、噴射の速度および／または量を下げる、あるいは、計算された温度が、CSF 32の能動的再生を促進するのに望ましい予め決められた最低閾値、例えば約550℃、未満である場合、ECU 38は、噴射の速度および／または量を増加させる。無論、計算された温度が予め決められた温度範囲内にある場合、CSF温度に影響を及ぼす全てのファクター、例えば加速器の位置、空間速度、等、が実質的に等しいままである限り、噴射の速度および／または量を変化させる必要は無い。当業者は、ECU 38を適切にプログラム化し、所望の閉ループ制御を達成することができるので、これ以上の詳細な説明は行わない。
図2に関して、番号100は本発明の第二実施態様を表すが、その際、図1と類似の部品は同じ番号で示す。図2で、110は、短い、例えば長さ2インチ(5 cm)、直径5.6インチ(14.2 cm)の、例えばＰｔ／アルミナの酸化触媒で被覆した基材モノリス(または「スライス」)、例えば400 cpsi(平方インチあたりのセル)(62セル cm−２)である。センサー136は、「スライス」110の直後に配置された触媒作用を付与した熱電対接合部を備えてなり、該センサーは、ECU 38と連絡している。
使用の際、ある量のＨＣおよび／またはＣＯが酸化触媒110の上で燃焼し、その排ガス中で発生した熱が、触媒作用を付与したセンサー自体の上におけるＨＣおよび／またはＣＯの燃焼により発生した熱に加えて、センサー136により検出される。排ガス中で検出された温度増加と、CSF中で予想される温度増加とを相関させることができる。
図１は、軽負荷ディーゼルエンジン及び本発明の第一実施態様を含んでなる排気機構を備えてなる装置を図式的に示す。 図２は、本発明の第二実施態様を示す。

Claims (15)

  1. リーンバーン内燃機関用の排気機構であって、
    (a)触媒作用を付与したフィルター(CSF)と、
    (b)制御装置と、
    (c)前記CSF中に流れ込む排ガス中の燃焼可能な炭化水素（ＨＣ）および／または一酸化炭素（ＣＯ）の含有量を増加させ、それによって、前記ＨＣおよび／またはＣＯを前記CSF中で燃焼させ、前記CSFの温度を増加させ、及び前記CSF上に集められた粒子状物質を燃焼させるための、前記制御装置により制御可能な手段と、及び
    (d)エンジンマニホルドと前記CSFとの間に配置された、前記排気機構中を流れる排ガス中のＣＯおよび／またはＨＣを燃焼させ、前記制御装置に、前記排ガス中のＨＣおよび／またはＣＯの燃焼エンタルピーに相関するデータを入力する、触媒作用を付与したセンサー手段を備えてなり、
    前記制御装置が、使用中に、燃焼可能なＨＣおよび／またはＣＯの導入手段を、前記データに応答して制御し、それによって、前記CSFを燃焼可能なＨＣおよび／またはＣＯに接触させる速度を制御する、排気機構。
  2. 前記触媒作用を付与したセンサー手段が、触媒作用を付与した熱電対接合部を備えてなる、請求項１に記載の排気機構。
  3. 前記触媒作用を付与したセンサー手段が、前記触媒作用を付与した熱電対接合部と、及び触媒作用を付与していない基準熱電対接合部を備えてなる、請求項２に記載の排気機構。
  4. 前記CSF中の前記触媒が、少なくとも一種の白金族金属、好ましくはＰｔ、またはＰｔとＰｄの両方を含んでなる、請求項１または２に記載の排気機構。
  5. 請求項２または３に従属する場合、前記触媒作用を付与した熱電対が、前記CSFと同じ触媒を含んでなる、請求項４に記載の排気機構。
  6. 前記CSFの能動的再生の際に、前記制御装置が前記CSFの温度が予め決められた温度を超えるのを阻止するように設計されてなる、請求項１〜５のいずれか一項に記載の排気機構。
  7. 前記CSFの能動的再生の際に、前記制御装置が前記CSFを予め決められた温度より高く維持するように設計されてなる、請求項１〜６のいずれか一項に記載の排気機構。
  8. 前記エンジンマニホルドと前記触媒作用を付与したセンサー手段との間に配置された、燃焼可能なＨＣおよび／またはＣＯの一部だけを燃焼させるための、基材モノリス上に被覆された酸化触媒を含んでなる、請求項１〜７のいずれか一項に記載の排気機構。
  9. 前記酸化触媒基材の体積が、前記排気機構を取り付けるべく設計された前記エンジンの排気量の10/1〜3/1倍である、請求項８に記載の排気機構。
  10. 予め決められた作動条件の際に前記酸化触媒をバイパスさせる手段を備えてなる、請求項８または９に記載の排気機構。
  11. 燃焼可能なＨＣを前記CSFの上流にある排ガス中に噴射する手段を備えてなる、請求項１〜７のいずれか一項に記載の排気機構。
  12. 燃焼可能なＨＣを前記酸化触媒の上流にある排ガス中に噴射する手段を備えてなる、請求項８〜１０のいずれか一項に記載の排気機構。
  13. 内燃機関及び請求項１〜１２のいずれか一項に記載の排気機構を備えてなる装置。
  14. 前記排ガス中にある燃焼可能なＨＣおよび／またはＣＯの含有量を増加させる前記手段が、前記エンジンのシリンダーにおける燃料噴射器を備えてなる、請求項１３に記載の装置。
  15. 内燃機関の排気機構で触媒作用を付与した煤フィルター(CSF)の能動的再生を制御する方法であって、
    (i)前記CSF中に流れ込む排ガス中にある燃焼可能な炭化水素(ＨＣ)および／または一酸化炭素(ＣＯ)の含有量を増加させ、それによって、前記ＨＣおよび／またはＣＯを前記CSF中で燃焼させ、前記CSFの温度を増加し、前記CSF上に集められた粒子状物質を燃焼させることと、
    (ii)前記CSFの上流にある排ガス中のＨＣおよび／またはＣＯを、触媒作用を付与したセンサー手段上で燃焼させ、前記排ガス中のＨＣおよび／またはＣＯの濃度を示す信号を発生させることと、
    (iii)前記信号を、前記排ガス中のＨＣおよび／またはＣＯの燃焼エンタルピーに関する値と相関させることと、及び
    (iv)工程(iii)で決定した前記エンタルピー値に応答して、工程(i)における前記ＨＣおよび／またはＣＯ含有量を制御し、それによって、前記CSFの温度を予め決められた範囲内に維持することとを含んでなる、方法。
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