JP2017223160A

JP2017223160A - 排気ガス浄化装置、および、フィルタ装置

Info

Publication number: JP2017223160A
Application number: JP2016119184A
Authority: JP
Inventors: 辰吾清水; Shingo Shimizu
Original assignee: Subaru Corp
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2016-06-15
Filing date: 2016-06-15
Publication date: 2017-12-21

Abstract

【課題】ＮＯの外部への排出を抑制する。
【解決手段】排気ガス浄化装置２００は、ガソリンエンジンの排気路１４０に設けられ、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕捉するフィルタ構造体２３０と、フィルタ構造体２３０の上流側に配される面に担持された酸化触媒２４０と、フィルタ構造体２３０における粒子状物質の堆積量を推定する堆積量推定部と、堆積量推定部によって推定された堆積量が所定の閾値以上であると、ガソリンエンジンの空燃比をリーンにする空燃比制御部と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、排気ガスを浄化する排気ガス浄化装置、および、フィルタ装置に関する。

エンジンから排気された排気ガスに含まれる、煤等の粒子状物質を取り除く車両用のフィルタ装置として、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）やＧＰＦ（Gasoline Particulate Filter）が知られている。

このようなフィルタ装置では、粒子状物質をフィルタで捕捉することで、排気ガスから粒子状物質を取り除いているため、時間が経過するに従ってフィルタが目詰まりしてしまう。そこで、フィルタを加熱する加熱処理を所定のタイミングで遂行することで、捕捉された煤（Ｃ）を、酸素（Ｏ_２）と反応（燃焼）させたり（例えば、特許文献１）、二酸化窒素（ＮＯ_２）と反応させたりして、フィルタから除去している。

特開２０１２−２４６８２９号公報

ところで、エンジンから排出される排気ガスには、ＮＯ_２のみならず、一酸化窒素（ＮＯ）も含まれている。特に、ガソリンエンジンの排気ガスには、ＮＯ_２よりもＮＯが多く含まれている。ＮＯとＣとの反応速度は、ＮＯ_２とＣとの反応速度と比較して極めて遅いため、ＮＯがフィルタ装置で処理されずに外部に排出されてしまうおそれがある。

そこで、本発明は、ＮＯの外部への排出を抑制することが可能な排気ガス浄化装置、および、フィルタ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の排気ガス浄化装置は、ガソリンエンジンの排気路に設けられ、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕捉するフィルタ構造体と、前記フィルタ構造体の上流側に配される面に担持された酸化触媒と、前記フィルタ構造体における前記粒子状物質の堆積量を推定する堆積量推定部と、前記堆積量推定部によって推定された堆積量が所定の閾値以上であると、前記ガソリンエンジンの空燃比をリーンにする空燃比制御部と、を備えたことを特徴とする。

上記課題を解決するために、本発明のフィルタ装置は、排気路に設けられ、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕捉するフィルタ構造体と、前記フィルタ構造体における上流側に配される面に担持された酸化触媒と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、ＮＯの外部への排出を抑制することが可能となる。

エンジンシステムの構成を示す概略図である。排気ガス浄化装置の構成を示す概略図である。フィルタ装置の構成を示す概略図である。粒子状物質除去処理の流れを説明するためのフローチャートである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、本実施形態にかかるエンジンシステム１００の構成を示す概略図である。なお、図１中、信号の流れを破線の矢印で示す。図１に示すように、エンジンシステム１００には、中央処理装置（ＣＰＵ）、プログラム等が格納されたＲＯＭ、ワークエリアとしてのＲＡＭ等を含むマイクロコンピュータでなるＥＣＵ（Engine Control Unit）１１０が設けられ、ＥＣＵ１１０によりエンジン１２０全体が統括制御される。ただし、以下では、本実施形態に関係する構成や処理について詳細に説明し、本実施形態と無関係の構成や処理については説明を省略する。また、ここでは、エンジン１２０として、ガソリンエンジンを例に挙げて説明する。

エンジン１２０は、複数の気筒１２２ａを有する多気筒エンジンであり、シリンダブロック１２２に形成された各気筒１２２ａの吸気ポート１２４に、吸気マニホールド１２６が連通される。吸気マニホールド１２６の集合部には、エアチャンバ１２８を介して吸気路１３０が連通され、吸気路１３０の上流側にエアクリーナ１３２が設けられ、エアクリーナ１３２の下流側にスロットル弁１３４が設けられる。

また、エンジン１２０のシリンダブロック１２２に形成された各気筒１２２ａの排気ポート１３６には、排気マニホールド１３８が連通される。排気マニホールド１３８の集合部には、排気路１４０を介してマフラー１４２が連通され、排気路１４０に、後述する排気ガス浄化装置２００が設けられる。

エンジン１２０には、点火プラグ１４８が、その先端が燃焼室１４６内に位置するように各気筒１２２ａそれぞれに対して設けられる。また、各気筒１２２ａの燃焼室１４６には、インジェクタ１５０が設けられる。

エンジンシステム１００には、吸気路１３０におけるエアクリーナ１３２とスロットル弁１３４との間に、エンジン１２０に流入する吸入空気量を検出する吸入空気量センサ１６０、および、エンジン１２０に流入する空気の温度を検出する吸気温センサ１６２が設けられる。また、エンジンシステム１００には、スロットル弁１３４の開度を検出するスロットル開度センサ１６４が設けられる。また、エンジンシステム１００には、クランクシャフトのクランク角を検出するクランク角センサ１６６、アクセル（図示せず）の開度を検出するアクセル開度センサ１６８が設けられる。

これら各センサ１６０〜１６８は、ＥＣＵ１１０に接続されており、検出値を示す信号をＥＣＵ１１０に出力する。

ＥＣＵ１１０は、各センサ１６０〜１６８から出力された信号を取得してエンジン１２０を制御する。ＥＣＵ１１０は、エンジン１２０を制御する際、信号取得部１８０、目標値導出部１８２、空気量決定部１８４、噴射量決定部１８６、スロットル開度決定部１８８、点火時期決定部１９０、駆動制御部１９２として機能する。

信号取得部１８０は、各センサ１６０〜１６８が検出した値を示す信号を取得する。目標値導出部１８２は、クランク角センサ１６６から取得したクランク角を示す信号に基づいて現時点のエンジン回転数を導出する。また、目標値導出部１８２は、導出したエンジン回転数、および、アクセル開度センサ１６８から取得したアクセル開度を示す信号に基づき、予め記憶されたマップを参照して目標トルクおよび目標エンジン回転数を導出する。

空気量決定部１８４は、目標値導出部１８２により導出された目標エンジン回転数および目標トルクに基づいて、各気筒１２２ａに供給する目標空気量を決定する。スロットル開度決定部１８８は、空気量決定部１８４により決定された各気筒１２２ａの目標空気量の合計量を導出し、合計量の空気を外部から吸気するための目標スロットル開度を決定する。

噴射量決定部１８６は、空気量決定部１８４により決定された各気筒１２２ａの目標空気量に基づいて、各気筒１２２ａに供給する燃料の目標噴射量を決定する。また、噴射量決定部１８６は、決定した目標噴射量の燃料をエンジン１２０の吸気行程あるいは圧縮行程でインジェクタ１５０から噴射させるために、クランク角センサ１６６により検出されるクランク角を示す信号に基づいて、各インジェクタ１５０の目標噴射時期および目標噴射期間を決定する。

点火時期決定部１９０は、目標値導出部１８２により導出された目標エンジン回転数、および、クランク角センサ１６６により検出されるクランク角を示す信号に基づいて、各気筒１２２ａでの点火プラグ１４８の目標点火時期を決定する。

駆動制御部１９２は、スロットル開度決定部１８８により決定された目標スロットル開度でスロットル弁１３４が開口するように、スロットル弁用アクチュエータ（図示せず）を駆動する。また、駆動制御部１９２は、噴射量決定部１８６により決定された目標噴射時期および目標噴射期間でインジェクタ１５０を駆動することで、インジェクタ１５０から目標噴射量の燃料を噴射させる。また、駆動制御部１９２は、点火時期決定部１９０により決定された目標点火時期で点火プラグ１４８を点火させる。

このようにして、燃焼室１４６で燃料が燃焼されたことにより生じた排気ガスは、排気路１４０を通じて外部に排出されることになるが、排気ガスには、炭化水素（ＨＣ：Hydro Carbon）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物(ＮＯｘ)や、煤等の粒子状物質が含まれるため、これらを除去する必要がある。そこで、排気路１４０に排気ガス浄化装置２００を設けておき、排気ガス浄化装置２００において、炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物、粒子状物質を除去する。

なお、ＥＣＵ１１０は、排気ガス浄化装置として機能する際、堆積量推定部１９４として機能する。また、噴射量決定部１８６は、排気ガス浄化装置として機能する際、空燃比制御部として機能する。堆積量推定部１９４、空燃比制御部として機能する噴射量決定部１８６の処理については、後に詳述する。

（排気ガス浄化装置２００）
図２は、排気ガス浄化装置２００の構成を示す概略図である。図２に示すように、排気ガス浄化装置２００は、三元触媒（Three-Way Catalyst）２１０と、フィルタ装置２２０とを含んで構成される。

三元触媒２１０は、排気路１４０内に設けられる。三元触媒２１０は、例えば、プラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）を含んで構成され、排気ポート１３６から排出された排気ガス中の炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物を除去する。

フィルタ装置２２０は、排気路１４０内における三元触媒２１０の下流側に設けられ、排気ポート１３６から排気された排気ガス中の粒子状物質を捕捉するウォールフロー型のフィルタ装置である。

図３は、フィルタ装置２２０の構成を示す概略図であり、図３（ａ）はフィルタ装置２２０の斜視図を示し、図３（ｂ）はフィルタ装置２２０の正面図を示し、図３（ｃ）は図３（ａ）のＹＸ断面図を示す。なお、図３（ａ）中、排気ガスの流れを白抜き矢印で示し、図３（ｃ）中、排気ガスの流れを矢印で示す。また、本実施形態にかかる図３では、垂直に交わるＸ軸、Ｙ軸（排気ガスの流れ方向、排気路１４０の延在方向）、Ｚ軸を図示の通り定義している。

図３に示すように、フィルタ装置２２０は、フィルタ構造体２３０と、酸化触媒２４０とを含んで構成される。フィルタ構造体２３０は、円筒形状の外筒２３２と、排気ガスを通過させるとともに粒子状物質を捕捉するフィルタ壁２３４と、プラグ部２３６ａ、２３６ｂとを含んで構成される。

フィルタ壁２３４は、図３中、ＸＹ面上に設けられるとともに、Ｙ軸方向に延在する第１壁２３４ａと、ＹＺ面上に設けられるとともに、Ｙ軸方向に延在する第２壁２３４ｂとを含んで構成される。そして、図３（ｂ）に示すように、２つの第１壁２３４ａと、２つの第２壁２３４ｂに囲繞された空間、もしくは、第１壁２３４ａ、第２壁２３４ｂ、外筒２３２に囲繞された空間がセル２５０として形成される。

したがって、複数のセル２５０は、外筒２３２（フィルタ構造体２３０）内において、軸方向（図３中、Ｙ軸方向）に延在するとともに、軸方向と直交する方向（図３中、Ｘ軸方向およびＺ軸方向）に並列して形成される。なお、セル２５０の数に限定はない。

そして、図３（ｃ）に示すように、セル２５０のうち、一部のセル２５０Ａは、下流側の開口がプラグ部２３６ｂで封止されており、その他のセル２５０Ｂは、上流側の開口がプラグ部２３６ａで封止されている。なお、図３（ｃ）中、理解を容易にするために、外筒２３２、プラグ部２３６ａ、２３６ｂを黒い塗りつぶしで示し、酸化触媒２４０をハッチングで示す。

フィルタ構造体２３０では、セル２５０Ａとセル２５０Ｂとが交互に配置されているため、フィルタ構造体２３０（フィルタ装置２２０）に到達した排気ガスは、セル２５０Ａに導入され、セル２５０Ａを区画するフィルタ壁２３４を通過して、セル２５０Ｂに導入される。この際、フィルタ壁２３４の通過過程において、排気ガスに含まれる粒子状物質がフィルタ壁２３４に捕捉されることとなる。そして、セル２５０Ｂに導入された排気ガスは、セル２５０Ｂの下流側の開口を通じてマフラー１４２（図２参照）に導かれることとなる。

また、フィルタ壁２３４に捕捉され、セル２５０Ａ内に残存した粒子状物質（図３（ｃ）中、白い丸で示す）は、プラグ部２３６ｂによって外部（マフラー１４２）への排出が規制され、プラグ部２３６ｂの上流側に堆積することとなる。そして、フィルタ構造体２３０に堆積した粒子状物質（Ｃ）は、下記式（１）、式（２）のいずれか、または、両方に示す反応を進行させることよって、フィルタ構造体２３０から除去されることとなる。
Ｃ＋Ｏ_２ → ＣＯ_２ …式（１）
Ｃ＋ＮＯ_２ → ＣＯ_２＋Ｎ_２ …式（２）

しかし、本実施形態のエンジン１２０はガソリンエンジンであるため、噴射量決定部１８６は、基本的に理論空燃比となるように燃料の目標噴射量を決定する。理論空燃比での運転では、排気ガスに含まれる酸素が低濃度となるため、上記式（１）、式（２）に示す反応がほとんど進行しない。

そこで、堆積量推定部１９４（図１参照）は、フィルタ構造体２３０（フィルタ装置２２０）における粒子状物質の堆積量を推定し、堆積量推定部１９４が推定した堆積量が所定の閾値以上であると、噴射量決定部１８６（図１参照）は、空燃比がリーンとなるように各気筒１２２ａに供給する燃料の目標噴射量を決定する。なお、堆積量推定部１９４は、例えば、前回リーンバーンさせてから現在までの走行距離に基づいて堆積量を推定する。

こうして、空燃比をリーン（リーンバーン）とすることで、排気ガス中の酸素濃度を高濃度化することができる。しかし、上記式（１）の反応を進行させるためには、排気ガスの温度を７００℃〜８５０℃程度まで上昇させる必要がある。そうすると、エンジン１２０を高負荷運転、または、高回転運転で駆動させなければならず、出力が低下するおそれがある。

一方、上記式（２）の反応を進行させるためには、排気ガスの温度を３００℃〜５００℃程度にまで上昇させればよいが、排気ガス中のＮＯ_２がそもそも低濃度であるため、反応が進行しない。

そこで、本実施形態のフィルタ装置２２０は、図３（ｃ）に示すように、フィルタ構造体２３０の上流側の面（三元触媒２１０に臨む面）、つまり、外筒２３２、フィルタ壁２３４、プラグ部２３６ａの上流側の面（排気ガスの流れ方向の最も上流側に配される面、図３（ｃ）中、左側の面）に酸化触媒２４０を担持させる（塗布する）。これにより、排気ガスがフィルタ壁２３４（粒子状物質の堆積箇所）に到達する前に、排気ガス中のＮＯを酸化して、ＮＯ_２の濃度を上昇させることができる。したがって、上記式（２）の反応を進行させることができ、フィルタ壁２３４に捕捉された粒子状物質を浄化（除去）することが可能となる。

ここで、酸化触媒２４０をフィルタ構造体２３０と別体の構造体で構成し、フィルタ構造体２３０の上流側に配置する構成も考えられる。しかし、耐久性等を考慮すると、酸化触媒２４０の構造体の長さ（図３中、Ｙ軸方向の長さ）は、少なくとも５ｃｍ〜１０ｃｍ程度となってしまう。そうすると、その分、フィルタ壁２３４の長さが短くなり、排気ガスの通過面積が減少して、圧力損失が大きくなる。このため、燃費が低下するという課題がある。

しかし、酸化触媒２４０をフィルタ構造体２３０の上流側の面に担持させることにより、フィルタ壁２３４の長さを短縮する事態を回避することができ、圧力損失を最低限に抑えることが可能となる。また、酸化触媒２４０の量を低減することもできる。

また、酸化触媒２４０によってＮＯを酸化することにより、上記式（２）に示す反応を優先的に進行させることができる。したがって、排気ガスの温度を７００℃〜８５０℃程度まで上昇させる必要がなくなり、エンジン１２０を低負荷運転、または、低回転運転で駆動させることによって、粒子状物質を除去することができる。

さらに、排気ガス中のＮＯは、酸化触媒２４０によって酸化され、粒子状物質の除去（上記式（２））で消費されることとなる。したがって、フィルタ装置２２０から排出される排気ガス中のＮＯの濃度（およびＮＯ_２の濃度）を低減することが可能となる。

続いて、堆積量推定部１９４による判定処理および噴射量決定部１８６による空燃比の切り換え処理について説明する。図４は、粒子状物質除去処理の流れを説明するためのフローチャートである。

（堆積量推定処理：Ｓ３１０）
堆積量推定部１９４は、フィルタ構造体２３０における粒子状物質の堆積量を推定する。

（堆積量判定処理：Ｓ３２０）
噴射量決定部１８６は、堆積量推定部１９４が推定した堆積量が所定の閾値以上であるか否かを判定する。その結果、堆積量が閾値以上であると判定した場合には温度判定処理Ｓ３３０に処理を移し、堆積量が閾値未満であると判定した場合には当該粒子状物質除去処理を終了する。

（温度判定処理：Ｓ３３０）
噴射量決定部１８６は、排気ガスの温度が上記式（２）の反応が遂行する所定範囲（例えば、３００℃〜５００℃）内であるか否かを判定する。その結果、排気ガスの温度が所定範囲内であると判定した場合には、出力判定処理Ｓ３４０に処理を移し、排気ガスの温度が所定範囲外であると判定した場合には、当該粒子状物質除去処理を終了する。

（出力判定処理：Ｓ３４０）
噴射量決定部１８６は、空燃比をリーンとしても現在の出力を維持できるか（出力に余力があるか）否かを判定する。その結果、出力を維持できる（出力に余力がある）と判定した場合には空燃比切換処理Ｓ３５０に処理を移し、出力を維持できないと判定した場合には当該粒子状物質除去処理を終了する。

（空燃比切換処理：Ｓ３５０）
噴射量決定部１８６は、空燃比がリーンとなるように、各気筒１２２ａに供給する燃料の目標噴射量を決定して、当該粒子状物質除去処理を終了する。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

なお、上記実施形態において、ＥＣＵ１１０が堆積量推定部１９４として機能する構成を例に挙げて説明した。しかし、堆積量推定部１９４は、ＥＣＵ１１０と別体で構成されてもよい。

また、上記実施形態において、三元触媒２１０とフィルタ装置２２０とが別体で構成される場合を例に挙げて説明した。しかし、セル２５０を構成するフィルタ壁２３４に三元触媒を担持させてもよい。

また、上記実施形態において、エンジン１２０としてガソリンエンジンを例に挙げて説明した。しかし、排気ガス浄化装置２００は、エンジンの種類に限らず（例えば、ディーゼルエンジン）、エンジンから排気された排気ガスに含まれる粒子状物質を取り除くことができる。なお、排気ガス浄化装置２００をディーゼルエンジンに搭載する場合、上記式（２）の反応が常時遂行されることとなる。このため、堆積量推定部１９４によって推定された堆積量が閾値以上となった場合には、高負荷運転、または、高回転運転として排気ガスの温度を上昇させ、上記式（１）の反応を遂行するとよい。

本発明は、排気ガスを浄化する排気ガス浄化装置、および、フィルタ装置に利用できる。

１２０エンジン（ガソリンエンジン）
１４０排気路
１８６噴射量決定部（空燃比制御部）
１９４堆積量推定部
２００排気ガス浄化装置
２２０フィルタ装置
２３０フィルタ構造体
２４０酸化触媒

Claims

ガソリンエンジンの排気路に設けられ、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕捉するフィルタ構造体と、
前記フィルタ構造体の上流側に配される面に担持された酸化触媒と、
前記フィルタ構造体における前記粒子状物質の堆積量を推定する堆積量推定部と、
前記堆積量推定部によって推定された堆積量が所定の閾値以上であると、前記ガソリンエンジンの空燃比をリーンにする空燃比制御部と、
を備えたことを特徴とする排気ガス浄化装置。
排気路に設けられ、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕捉するフィルタ構造体と、
前記フィルタ構造体における上流側に配される面に担持された酸化触媒と、
を備えたことを特徴とするフィルタ装置。