JP2010077916A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成により排気温度を上昇させてパティキュレートフィルタを再生可能な排気浄化装置を提供する。
【解決手段】ディーゼルエンジン１の排気通路７に配設され、排気中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタ１２と、排気通路内のパティキュレートフィルタ１２の上流側に配設された酸化触媒１１と、酸化触媒１１に至る排気通路内の排気の空燃比をリッチ状態とする排気リッチ手段６，２０と、リッチ状態の排気に対してプラズマを発生してＨ_２とＣＯに改質された改質ガスを生成するプラズマ発生手段４，５，２０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディーゼルエンジンの排気を浄化する排気浄化装置に関する。

ディーゼルエンジンの排気中のパティキュレートを捕集して排気を浄化するパティキュレートフィルタを備えた排気浄化装置が知られている（例えば特許文献１参照）。このようなパティキュレートフィルタは、排気中のパティキュレートを捕集し続けると次第に目詰まりが生じて排気を浄化する能力が低下する。このため、目詰まりが生じた際にはパティキュレートを除去して、排気浄化能力を保つ必要がある。

特許文献１記載の装置では、軽油をバーナで着火してＨＣ及びＣＯ_２を主成分とする気体を発生させ、さらにこの気体を改質触媒によってＨ_２及びＣＯを主成分とする気体に改質する。そして、この改質ガスを酸化触媒に向けて噴射し、酸化触媒で燃焼させることにより排気の温度を上昇させ、パティキュレートフィルタ内のパティキュレートを燃焼除去するようにしている。

特開２００７−９７０１号公報

しかしながら、上記特許文献１記載の装置は、改質ガスを発生するために、空気供給装置やバーナ、改質触媒など多くの装置が必要となり、装置構成が複雑となって装置の大型化を伴う。

本発明による排気浄化装置は、ディーゼルエンジンの排気通路に配設され、排気中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタと、排気通路内のパティキュレートフィルタの上流側に配設された酸化触媒と、酸化触媒に至る排気通路内の排気の空燃比をリッチ状態とする排気リッチ手段と、リッチ状態の排気に対してプラズマを発生してＨ_２とＣＯに改質された改質ガスを生成するプラズマ発生手段とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、排気通路内のリッチ状態の排気に対してプラズマを発生してＨ_２とＣＯに改質された改質ガスを生成するようにしたので、簡易な構成により排気温度が上昇し、パティキュレートフィルタを再生することができる。

以下、図１，２を参照して本発明の排気浄化装置の一実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る排気浄化装置の全体構成を概略的に示す図である。ディーゼルエンジン１から排出された排気は、排気浄化部１０で浄化される。エンジン１には発電機２が接続され、エンジン１の駆動力によって発電機２が駆動され、発電機２で発生した電力がバッテリ３に蓄電される。

エンジン１には燃料噴射部６が設けられている。燃料噴射部６は図示しないシリンダヘッドに設けられた複数のインジェクタを有する。インジェクタには例えば高圧ポンプで高圧化された燃料がコモンレールを介して供給され、供給された燃料をインジェクタは燃焼室内に噴射する。噴射された燃料は、吸気通路を介して供給された吸気とともに燃焼室内で燃焼し、燃焼によって生じた排気が排気通路７に排出される。なお、燃料噴射部６の構成はコモンレール式に限定されない。

燃料噴射部６における噴射は電子制御装置（以下、ＥＣＵ）２０により制御される。すなわちＥＣＵ２０は、エンジン１の回転数を検出する回転センサ１６やアクセル開度を検出するアクセルセンサ等からの信号に応じて燃料噴射信号を出力し、燃料の噴射量（主噴射量）を制御する。さらに本実施の形態では、後述するようにパティキュレートフィルタ１２の再生時に、燃料を主噴射させた後、ポスト噴射させ、排気通路７内の排気の空燃比を強制的にリッチ状態とする。

排気通路７には排気浄化部１０が設けられている。排気浄化部１０は、プラズマ発生装置４と、酸化触媒１１と、パティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦ）１２とを有する。

プラズマ発生装置４には、電力供給装置５から電力が供給される。電力供給装置５は、バッテリ３から供給される直流電圧を交流電圧に変化するとともに、その周波数および交流電圧値を調整する。プラズマ発生装置４は、電力供給装置５からの電力により高電圧電極に高電圧を印加することによって排気中に放電し、プラズマを発生させる。このプラズマにより排気通路７内の燃料の未燃成分がＨ_２とＣＯに改質される。

酸化触媒１１は、白金やパラジウム等の触媒による酸化作用によって排気に含まれる微粒子からなるパティキュレート（以下、ＰＭ）を減少させる。また、酸化触媒１１では、所定温度以上の燃料の未燃成分が触媒反応によって燃焼する。ここで、軽油が酸化触媒１１において燃焼する温度（軽油の燃焼可能温度）はｔ１（例えば約２２０℃）であるのに対し、Ｈ_２が酸化触媒１１において燃焼して発熱を開始する温度（Ｈ_２の燃焼可能温度）はｔ２（例えば約１２０℃）であり、ＣＯが還元して発熱を開始する温度（ＣＯの燃焼可能温度）はｔ３（例えば約２００℃）である。

ＤＰＦ１２は、例えばコージェライトのようなセラミックスからなる多孔質のハニカム構造であり、多孔質薄壁によって格子状に流路が区画される。各流路の入口と出口は、交互に目封じされ、ＤＰＦ１２に流入した排気に含まれるＰＭは、多孔質薄壁の内側表面で捕集される。これによりエンジン１からの排気が濾過され、ＰＭが除去された排気が外部に排出される。捕集されたＰＭは、ＰＭの燃焼可能温度であるｔ０（例えば６００℃）以上の排気で燃焼し、ＤＰＦ１２が再生される。

ＥＣＵ２０は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，その他の周辺回路などを有する演算装置を含んで構成される。ＥＣＵ２０には、ＤＰＦ１２の前後の圧力を検出する圧力センサ１３，１４と、酸化触媒１１の通過後の排気温度を検出する排気温度センサ１５と、回転センサ１６からの信号が入力される。また、エンジン負荷に対応するスロットル開度センサや油圧ポンプ圧力センサなどのエンジン負荷検出信号２１も入力される。これらからの信号に基づきＥＣＵ２０は、燃料噴射信号を出力し、燃料噴射部１６からの燃料噴射を制御するとともに、電力供給装置５に制御信号を出力し、プラズマ発生装置４の駆動を制御する。

図２は、ＥＣＵ２０内のＣＰＵで実行されるＤＰＦ再生処理の一例を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は例えばエンジンキースイッチのオンによって開始され、所定周期毎に繰り返し実行される。ＤＰＦ１２の再生開始を別途指令することによって処理を開始するようにしてもよい。なお、ＥＣＵ２０は図示しない処理によって燃料噴射部１６からの燃料の主噴射を行っている。

ステップＳ１では、圧力センサ１３，１４からの検出信号に基づき、ＤＰＦ１２の前後の差圧ΔＰが所定値Ｐｔより大きいか否かを判定する。この処理はＤＰＦ１２の再生の要否を判定するための処理である。すなわちＤＰＦ１２でＰＭを捕集すると、目詰まりが発生して差圧ΔＰが大きくなるため、ＤＰＦ１２の再生が必要と判定する。

ステップＳ１が肯定されるとステップＳ２に進み、否定されると処理を終了する。ステップＳ２では、精密な制御のために、回転センサ１６と排気温度センサ１５からの検出信号、ＥＣＵ２０で検出されたエンジン負荷、および予め定められたエンジン１の制御マップに基づいて現在の運転状況を推定し、プラズマ発生装置４によるプラズマ発生の要否を判定する。すなわち、現在の排気温度だけでなく、エンジン回転数とエンジン負荷の両方またはいずれか一方を監視して、アイドリング時や急なエンジン負荷変動による排気温度の変動に応じて、排気に含まれる燃料の未燃成分を酸化触媒１１にて燃焼できない場合に、プラズマ放電による燃料の改質が必要と判定する。なお、簡便には、排気温度センサ１５の検出値が軽油の燃焼可能温度ｔ１以下で、酸化触媒１１を通過する排気がＨ_２の燃焼可能温度ｔ２以上となる運転状況下で、プラズマ放電が必要な状況と判定してもよい。

ステップＳ２が肯定されるとステップＳ３に進み、否定されるとステップＳ４に進む。ステップＳ４では、ポスト噴射用の燃料噴射信号を出力し、燃料噴射部６にて燃料の主噴射の直後に所定量ｑ２の燃料をポスト噴射させ、空燃比をリッチ状態とする。次いで、ステップＳ８に進む。

一方、ステップＳ３では、ポスト噴射用の燃料噴射信号を出力し、燃料噴射部６にて燃料の主噴射の直後に所定量ｑ１の燃料をポスト噴射させ、空燃比をリッチ状態とする。この場合、ｑ１はｑ２より大きく、プラズマ放電が必要な状況の場合には、よりリッチな状態とする。次いで、ステップＳ５で電力供給装置５に制御信号を出力し、プラズマ発生装置４からのプラズマ放電を開始する。これにより排気通路７内の燃料の未燃成分がＨ_２とＣＯに改質される。

ステップＳ６では、排気温度センサ１５により検出された排気温度がｔ１より高いか否か、すなわち酸化触媒１１にて燃料である軽油が燃焼可能な温度まで排気温度が上昇したか否かを判定する。ステップＳ６が肯定されるとステップＳ７に進み、否定されるとステップＳ３に戻る。ステップＳ７では、電力供給装置５に制御信号を出力し、プラズマ発生装置４からのプラズマ放電を停止する。

ステップＳ８では、排気温度がＰＭの燃焼可能温度ｔ０より高いか否か、すなわちＤＰＦ１２が再生されているか否かを判定する。ステップＳ８が肯定されるとステップＳ１に、否定されるとステップＳ４に戻り、同様の処理を繰り返す。

本実施の形態の主要な動作を説明する。ＤＰＦ１２の前後の差圧ΔＰが所定値Ｐｔより大きくなると、燃料噴射部６にて燃料がポスト噴射され、排気通路７内の排気の空燃比がリッチ状態となる。この場合、排気温度が低くプラズマ放電が必要な状況にあれば、プラズマ放電が開始される（ステップＳ５）。これにより排気に含まれる燃料の未燃成分がＨ_２とＣＯに改質される。このとき排気がＨ_２の燃焼可能温度ｔ２以上であれば、Ｈ_２が酸化触媒１１で燃焼し、排気温度が上昇する。Ｈ_２の燃焼により排気温度がＣＯの燃焼可能温度ｔ３（＞ｔ２）以上になると、ＣＯも燃焼する。

Ｈ_２とＣＯの燃焼により排気温度が軽油の燃焼可能温度ｔ１（＞ｔ３）以上になると、プラズマ放電が終了する（ステップＳ７）。このときプラズマ放電が終了した後もポスト噴射は継続される（ステップＳ４）。このため排気通路７内の排気はリッチ状態であり、酸化触媒１１で軽油が燃焼され、排気温度が上昇する。排気温度がＰＭの燃焼可能温度ｔ０以上になると、ＤＰＦ１２に捕集されたＰＭが燃焼除去され、ＤＰＦ１２の前後差圧ΔＰが小さくなる。差圧ΔＰが所定値Ｐｔ以下になると、ポスト噴射が終了される。

本実施の形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
（１）排気通路７に酸化触媒１１とＤＰＦ１２を配設するとともに、プラズマ発生装置４を設け、さらに燃料噴射部６から燃料をポスト噴射することにより空燃比をリッチ状態とし、このリッチ状態の排気に対してプラズマ発生装置４からプラズマを発生してＨ_２とＣＯの改質ガスを生成するようにした。生成されたＨ_２は１２０℃程度の低温から燃焼するため、これにより排気温度を容易に高めることができ、ＤＰＦ１２内のＰＭを燃焼除去することができる。すなわち改質ガスを生成するためのバーナ等が不要であり、装置を大型化することなく簡易な構成によりＤＰＦ１２の再生が可能である。

（２）燃料噴射部６のインジェクタから燃料を主噴射後、ポスト噴射することにより排気の空燃比をリッチ状態としたので、軽油供給装置等を別途設ける必要がなく、構成が容易である。
（３）酸化触媒１１を通過する排気の温度が低くプラズマ放電が必要な状況下でプラズマ発生装置１２からプラズマを発生させ、その後、排気温度が軽油の燃焼可能温度ｔ１以上になるとプラズマの発生を停止するようにした。これにより必要以上に電力供給装置５から高電圧が印加されず、消費電力を節約できる。
（４）プラズマ放電が必要な状況にある場合のポスト噴射量ｑ１をその状況にない場合のポスト噴射量ｑ２よりも多くしたので、プラズマ放電が必要な状況下では放電プラズマ改質によってＨ_２とＣＯのガスが発生しやすくなり、酸化触媒１１での燃焼を短時間で開始することができる。

なお、上記実施の形態では、ディーゼルエンジン１の燃料噴射部６のインジェクタから燃料をポスト噴射することにより排気の空燃比をリッチ状態としたが、ポスト噴射以外の構成によってリッチ状態としてもよく、排気リッチ手段は上述したものに限らない。酸化触媒１１を通過する排気がＨ_２の燃焼可能温度ｔ２以上となる運転状況下でプラズマ発生装置１２からプラズマを発生して、燃料の未燃成分からＨ_２とＣＯに改質された改質ガスを生成し、排気温度が軽油の燃焼可能温度ｔ１以上になるプラズマの発生を停止するようにしたが、プラズマ発生手段の構成はこれに限らない。例えば所定時間だけプラズマを発生させるようにしてもよく、ＥＣＵ２０における処理は図２に示した以外のものであってもよい。すなわち、本発明の特徴、機能を実現できる限り、本発明は実施の形態の排気浄化装置に限定されない。

本発明の実施の形態に係る排気浄化装置の全体構成を概略的に示す図。 図１のＥＣＵにおける処理の一例を示すフローチャート。

符号の説明

１ ディーゼルエンジン
４ プラズマ発生装置
５ 電力供給装置
６ 燃料噴射部
１１ 酸化触媒
１２ パティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）
１５ 排気温度センサ
２０ 電子制御装置（ＥＣＵ）

Claims (5)

1. ディーゼルエンジンの排気通路に配設され、排気中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタと、
   前記排気通路内の前記パティキュレートフィルタの上流側に配設された酸化触媒と、
   前記酸化触媒に至る排気通路内の排気の空燃比をリッチ状態とする排気リッチ手段と、
   前記リッチ状態の排気に対してプラズマを発生してＨ_２とＣＯに改質された改質ガスを生成するプラズマ発生手段とを備えることを特徴とする排気浄化装置。
2. 請求項１に記載の排気浄化装置において、
   前記排気リッチ手段は、前記ディーゼルエンジンの燃料噴射用のインジェクタからポスト噴射させることにより空燃比をリッチ状態とすることを特徴とする排気浄化装置。
3. 請求項１または２に記載の排気浄化装置において、
   前記プラズマ発生手段は、前記酸化触媒を通過する排気がＨ_２の燃焼可能温度以上となる運転状況下でプラズマの発生を開始することを特徴とする排気浄化装置。
4. 請求項３に記載の排気浄化装置において、
   前記プラズマ発生手段は、プラズマ発生の開始後、排気温度が燃料の燃焼可能温度以上になるとプラズマの発生を停止することを特徴とする排気浄化装置。
5. 請求項１または２に記載の排気浄化装置において、
   前記プラズマ発生手段は、排気温度とエンジン回転数およびまたはエンジン負荷に基づいて、プラズマ放電が必要な運転状況にあるか否かを判定し、プラズマ放電が必要な運転状況にあると判定すると、プラズマの発生を開始することを特徴とする排気浄化装置。

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