JP3797125B2 - 排気ガス浄化装置及びその再生制御方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼルエンジンの粒子状物質を捕集して排気ガスを浄化する排気ガス浄化装置及びその再生制御方法に関するものである。
【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：以下ＰＭ）の排出量は、窒素酸化物（以下ＮＯｘ），一酸化炭素（以下ＣＯ）そして炭化水素（以下ＨＣ）等と共に年々規制が強化されてきており、この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】
このＰＭを捕集するＤＰＦにはセラミック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装置は、他の排気ガス浄化装置と同様に、エンジンの排気管に設置され、エンジンで発生する排気ガスを浄化して排出している。
【０００４】
しかし、このＰＭ捕集用のＤＰＦは、ＰＭの捕集に伴って目詰まりが進行し、捕集したＰＭの量に略比例して排気ガス圧力（排圧）が上昇するので、このＤＰＦからＰＭを除去する必要があり、幾つかの方法及び装置が開発されている。
【０００５】
その一つに、ＣＲＴ(Continuously Regererating Trap) と呼ばれる連続再生型ＤＰＦ装置がある。この連続再生型ＤＰＦ装置２０Ａは、図３に示すように、酸化触媒２１Ａとフィルタ２２Ａとで構成されている。
【０００６】
この上流側の酸化触媒２１Ａは白金（Ｐｔ）等を担持した酸化触媒で形成され、この酸化触媒２１Ａは、ＨＣとＣＯをＣＯ2 （二酸化炭素）とＨ2 Ｏ（水）に変化させると共に、排気ガス中のＮＯｘのうちＮＯ（一酸化窒素）を（２ＮＯ＋Ｏ2 →ＮＯ2 ）の反応によりＮＯ2 （二酸化窒素）に効率よく変化させ、ＮＯ2 の比率を高める役割を担っている。
【０００７】
そして、下流側のフィルタ２２Ａは、コーディエライトと呼ばれる素焼きの蜂の巣状のモノリスを使用したウオールフロー・タイプのフィルタ等で形成され、このフィルタでＰＭを捕集する。
【０００８】
この捕集により堆積したＰＭのＣ（炭素）成分は、図４に示すエンジン運転状態の領域Ａでは、上流側の酸化触媒２１Ａで濃度を高められたＮＯ2 により、フィルタ２２Ａ上で（２ＮＯ2 ＋Ｃ→ＣＯ2 ＋２ＮＯ）の反応をして、酸化されＣＯ2 となり除去される。また、図４に示す領域Ｂでは、フィルタ２２Ａ上で（Ｃ＋Ｏ2 →ＣＯ2 ）の反応により、Ｏ2 （酸素）で酸化されＣＯ2 となり除去される。
【０００９】
この装置では、Ｏ2 でＰＭを燃焼させる場合と比べて、ＮＯ2 を用いることにより、３５０℃程度の低温でＰＭを燃焼させることが可能となる。そのため、従来のＯ2 による高温におけるＰＭ燃焼の際に発生するＰＭの急速燃焼によるフィルタの溶損を回避できる。
【００１０】
しかしながら、この連続再生型ＤＰＦ装置２０Ａでは、通常のエンジンの運転状態では、ＰＭを捕集しながら、上述のメカニズムにより、フィルタで捕集したＰＭを燃焼除去しているが、アイドリング運転を下り坂運転等の排気ガス温度が２５０℃よりも低く、酸化触媒の活性が低下するエンジンの運転状態（図４の領域Ｃ）や、排気ガス温度がＮＯ2 とＰＭの反応温度（４５０℃）よりも高く、Ｏ2 とＰＭの反応温度（６００℃以上）よりも低いエンジンの運転状態（図４の領域Ｄ）においては、ＰＭの燃焼除去が行われず、ＰＭがフィルタ２２Ａに継続的に堆積するので、フィルタ２２Ａが目詰まりすることになる。
【００１１】
そのため、この連続再生型ＤＰＦ装置２０Ａにおいても、フィルタ２２Ａの目詰まり状態をフィルタ２２Ａ前後の排気圧力センサ５２Ａ，５３Ａ等で監視し、フィルタ２２Ａの再生が必要であると判断した時は、エンジンの燃料噴射において主噴射のタイミングの遅延（リタード）操作や後噴射（ポストインジェクション）等の燃料噴射制御を行ったり、吸気絞りを行ったりすることにより、排気ガス温度を上昇させて再生処理を行っている。
【００１２】
また、図５に示すような別のＣＳＦ(Catalyzed Soot Filter) と呼ばれる連続再生型ＤＰＦ装置２０Ｂがある。この連続再生型ＤＰＦ装置２０Ｂは、触媒付きフィルタ２２Ｂとで構成され、図６に示すような低温の領域Ａでは、主に（２ＮＯ＋Ｏ2 →２ＮＯ2 ）、（２ＮＯ2 ＋Ｃ→ＣＯ2 ＋２ＮＯ）の反応により、また、領域Ｂでは、（４ＣｅＯ2 ＋Ｃ→２Ｃｅ2 Ｏ3 ＋ＣＯ2 ，２ＣｅＯ3 ＋Ｏ2 →４ＣｅＯ2 ）の反応により、そして、領域Ｃでは、（Ｃ＋Ｏ2 →ＣＯ2 ）の反応によりＰＭを酸化してＣＯ2 にして排出している。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの連続再生型ＤＰＦ装置２０Ａ，２０Ｂにおいては、ＮＯ2 でＰＭを酸化する過程があるため、ＰＭを酸化してフィルタ２２Ａ，２２Ｂを再生する際に、ＮＯが発生するという問題がある。
【００１４】
そのため、フィルタ２２Ａ，２２Ｂの下流側にＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction ：選択触媒還元方式）のＮＯｘ除去触媒を配置し、このＮＯやＮＯ2 の方を優先的（選択的）に還元剤と反応させる選択還元触媒により、ＮＯｘをＮ2 （窒素）とＨ2 Ｏに還元し、ＮＯの排出を回避する排気ガス浄化装置が考えられている。
【００１５】
しかしながら、このＳＣＲのＮＯｘ除去触媒においては、ＮＯｘを酸化雰囲気中で還元するため、ＮＨ3 （アンモニア）やＣＨ4 Ｎ2 Ｏ（尿素）等の還元剤の投入が必要となり、車両等の場合にはこの還元剤用のタンクや還元剤の噴射装置等の諸設備の追設が必要となるという問題がある。
【００１６】
一方、排気ガス中のＮＯｘを除去するための触媒として、特許公報第２６００４９２号や特願２０００−０９８１８３号等に記載されているＮＯｘ吸蔵還元型触媒がある。
【００１７】
このＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、空燃比がリーンの時にはＮＯｘを吸蔵し、空燃比がリッチの時にはＮＯｘを放出及び還元浄化するものであり、このＮＯｘ吸蔵還元触媒の担持層表面における活性金属の配置と、ＮＯｘの還元浄化のメカニズムを図７〜図９に示す。
【００１８】
このＮＯｘ吸蔵還元型触媒の触媒構造体３０は、排気ガスの通路となるセル３６を有する担持体３５上に、多孔質のゼオライトやアルミナ等の多孔質コート材で形成された担持層３１が形成され、この担持層３１に、ＮＯｘ吸蔵機能を持つカリウム（Ｋ）、バリウム（Ｂａ）、ランタン（Ｌａ）等のＮＯｘ吸蔵物質（Ｒ）３２ａと酸化触媒機能を有する白金（Ｐｔ）等の触媒活性金属３２ｂとが担持され、排気ガス中のＯ2 濃度及びＣＯ濃度によってＮＯｘ吸蔵とＮＯｘ放出及び還元浄化の機能を果たしている。
【００１９】
このＮＯｘ吸蔵還元型触媒３０においては、通常のディーゼルエンジンや希薄燃焼ガソリンエンジン等のように、排気ガス中にＯ2 が含まれる希薄（リーン）空燃比の運転条件下では、図９（ａ）に示すように、排気ガス中のＮＯは、この排気ガス中のＯ2 により、白金等の触媒金属３２ｂの酸化機能によっで酸化されてＮＯ2 になる。そして、ＮＯ2 は、バリウム（Ｂａ）等のＮＯｘ吸蔵物質３２ａが硝酸塩（例えばＢａ（ＮＯ3 ）2 ）等の形で吸蔵するので排気ガス中のＮＯｘが浄化される。
【００２０】
しかし、この状態が継続すると、ＮＯｘ吸蔵機能を持つＮＯｘ吸蔵物質３２ａは、全て硝酸塩等に変化してＮＯｘ吸蔵機能を失ってしまうので、エンジンの運転状態を変更して、理論空燃比及び理論空燃比に近い空燃比であるリッチ燃焼を行って、リッチスパイクガスと呼ばれる、排気ガス中のＯ2 を略ゼロとした高温の排気ガスを発生させて、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３０に送る。
【００２１】
図９（ｂ）に示すように、このリッチスパイクガスにより、ＮＯｘを吸蔵したＮＯｘ吸蔵物質３２ａの硝酸塩（硝酸バリウム）等は元の状態（バリウム）に戻り、ＮＯ2 を放出する。この放出されたＮＯ2 は、排気ガス中に酸素が存在しないので、酸化触媒３２ｂ上で排気ガス中のＣＯ，ＨＣ，Ｈ2 等を還元剤として、Ｈ2 Ｏ，ＣＯ2 ，Ｎ2 に還元され浄化される。
【００２２】
つまり、ディーゼルエンジンにおいては、通常の運転は希薄燃焼で行い、ＮＯｘをＮＯｘ吸蔵触媒３２ａに吸蔵し、この希薄燃焼と交互に行うＮＯｘ吸蔵機能回復のためのリッチ燃焼運転条件下では、吸蔵したＮＯｘを放出すると共に、酸化触媒３２ｂにより、ＮＯｘを還元して、排気ガスを継続的に浄化している。
【００２３】
そして、特願２０００−０９８１８３号では、このＮＯｘ吸蔵触媒の担持層表面にＣｅ，Ｚｒ等の酸素（Ｏ2 ）吸蔵物質を担持させ、このＯ2 吸蔵物質のＯ2 吸蔵及び放出機能を利用することにより、エンジンの空燃比をリッチからリーンへの運転条件を切替えた時の初期状態におけるＮＯｘ吸蔵性能を改善すると共に、リーンからリッチへ切り替えた時の初期状態におけるＮＯｘ浄化率を改善し、全体として排気ガス中のＮＯｘに対する浄化性能を著しく向上させている。
【００２４】
本発明は、上述の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、ＣＲＴやＣＳＦ等の連続再生型ディーゼルパティキュレートフィルタ装置を備えた排気ガス浄化装置において、フィルタ下流側に設けたＮＯｘ吸蔵触媒のＮＯｘ吸蔵性能を効率よく回復しながら、フィルタの再生時に発生するＮＯｘを効率よく浄化できて、フィルタ再生時に発生するＮＯｘの放出を防止できる排気ガス浄化装置及びその再生制御方法を提供することにある。
【００２５】
【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装置は、次のように構成される。
【００２６】
１）ディーゼルエンジンの排気通路に設けられ、酸化触媒とフィルタを有する連続再生型ディーゼルパティキュレートフィルタ装置、又は、触媒を担持したフィルタを有する連続再生型ディーゼルパティキュレートフィルタ装置を備えて排気ガス中の粒子状物質を捕集する排気ガス浄化装置において、前記フィルタの下流側に、窒素酸化物吸蔵物質と酸化触媒を含む窒素酸化物吸蔵還元型触媒を配設すると共に、前記フィルタに捕集された粒子状物質を燃焼除去する前記フィルタの再生操作と前記窒素酸化物吸蔵還元型触媒における窒素酸化物吸蔵能力の回復操作を制御する再生制御手段を備え、該再生制御手段が、前記フィルタの再生操作を行う場合においてのみ、前記ディーゼルエンジンの燃焼状態を一時的にリッチ燃焼モード運転に切替えて略無酸素状態の高温の排気ガスを発生させて、この排気ガスによって前記窒素酸化物吸蔵物質に吸蔵された窒素酸化物を放出させるとともに、放出させた窒素酸化物をこの略無酸素状態における前記窒素酸化物吸蔵還元型触媒の酸化触媒を用いて還元させて前記排気通路から排出させて前記窒素酸化物吸蔵還元型触媒の窒素酸化物吸蔵能力を回復させるように構成する。
【００２７】
この窒素酸化物（ＮＯｘ）吸蔵還元型触媒は、多孔質のゼオライトやアルミナ等の多孔質コート材で形成された担持層に、酸化触媒機能を有する白金（Ｐｔ）等の触媒活性金属と、ＮＯｘ吸蔵機能を持つカリウム（Ｋ）、バリウム（Ｂａ）、ランタン（Ｌａ）等のＮＯｘ吸蔵物質とを担持して形成される。
【００２８】
そして、このＮＯｘ吸蔵触媒の機能を向上させるために、この担持層にＣｅ（セリウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）等の酸素吸蔵物質を担持させたり、ＨＣ等の還元剤を吸着及び放出する還元剤吸着物質を担持させることもできる。
【００２９】
このＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、排気ガス中の酸素濃度及び一酸化炭素濃度によってＮＯｘ吸蔵とＮＯｘ放出・還元浄化の機能を果たすものである。
【００３０】
また、一時的なリッチ燃焼モード運転は、約０．１秒〜５秒程度の一時的な間、空燃比を理論空燃比又は理論空燃比に近い空燃比にした排気ガス中の酸素濃度が低い状態のエンジンの運転であり、このリッチ燃焼モード運転を、フィルタの再生操作（再生モード運転）の開始直前及びフィルタの再生操作中の時だけ行うように構成される。
【００３１】
このフィルタの再生操作の約１分〜２０分程度に対して、一酸化窒素（ＮＯ）等のＮＯｘを吸蔵する能力は、ＮＯｘ吸蔵触媒を備えた窒素酸化物吸蔵型触媒の装置をできるだけ小型に構成しているので、約１分間程度の比較的短時間の容量となる。
【００３２】
従って、フィルタの再生操作中に、ＮＯｘ吸蔵能力が飽和する前の所定の時間間隔に基づいて、又はＮＯｘ吸蔵能力の飽和を監視するＮＯｘセンサの検出値に基づいて、繰り返し約０．１秒〜５秒程度のリッチ燃焼モード運転を行い、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ吸蔵能力を回復させる。
【００３３】
このＮＯｘ吸蔵能力が飽和する前の所定の時間間隔は、予め実験などで求めておき、再生制御手段に入力しておくものであり、等間隔（例えば５０秒間隔）とする場合もあり、フィルタの再生状態の変化によるＮＯ量の変化を考慮した不等間隔とする場合もある。
【００３４】
２）上記の排気ガス浄化装置において、前記再生制御手段が、前記一時的なリッチ燃焼モード運転を行ってから、前記フィルタの再生操作に入るように構成される。
【００３５】
そして、フィルタの再生操作中に生成される一酸化窒素（ＮＯ）の吸着・吸蔵をより確実にするために、フィルタの再生操作の再生開始前に、リッチ燃焼モード運転してＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ吸蔵能力を回復させてから、フィルタの再生操作を行う。
【００３６】
また、この排気ガス浄化装置の再生制御方法は、次のように構成される。
【００３７】
１）ディーゼルエンジンの排気通路に設けられ、酸化触媒とフィルタを有する連続再生型ディーゼルパティキュレートフィルタ装置、又は、触媒を担持したフィルタを有する連続再生型ディーゼルパティキュレートフィルタ装置を備えると共に、前記フィルタの下流側に、窒素酸化物吸蔵物質と酸化触媒を含む窒素酸化物吸蔵還元型触媒を配設して排気ガス中の粒子状物質を捕集する排気ガス浄化装置の再生制御方法において、前記フィルタに捕集された粒子状物質を燃焼除去する前記フィルタの再生操作と前記窒素酸化物吸蔵還元型触媒における窒素酸化物吸蔵能力の回復操作を制御する再生制御手段を備え、該再生制御手段が、前記フィルタの再生操作に際してのみ、前記ディーゼルエンジンの燃焼状態を一時的にリッチ燃焼モード運転に切替え、略無酸素状態の高温の排気ガスを発生させて、この排気ガスによって前記窒素酸化物吸蔵物質に吸蔵された窒素酸化物を放出させるとともに、放出させた窒素酸化物をこの略無酸素状態における前記窒素酸化物吸蔵還元型触媒の酸化触媒を用いて還元させて前記排気通路から排出させ、前記窒素酸化物吸蔵還元型触媒の窒素酸化物吸蔵能力を回復させるように構成される。
【００３８】
２）そして、上記の排気ガス浄化装置の再生制御方法において、前記再生制御手段が、前記一時的なリッチ燃焼モード運転を行ってから、前記フィルタの再生操作に入るように構成される。
【００３９】
以上の構成の排気ガス浄化装置及びその再生制御方法によれば、酸化触媒とフィルタを有するか、又は、触媒を担持したフィルタを有する連続再生型ディーゼルパティキュレートフィルタ装置を備えた排気ガス浄化装置において、ＮＯ2 を用いてＰＭを燃焼させてフィルタを再生する時に発生するＮＯは、窒素酸化物（ＮＯｘ）吸蔵還元型触媒により浄化される。
【００４０】
また、このＮＯｘ吸蔵還元型触媒を採用しているので、ＳＣＲ（選択触媒還元）触媒を使用する場合のような還元剤の供給が不要となり、還元剤タンクや還元剤供給装置不要となる。
【００４１】
そして、このＮＯｘ吸蔵触媒のＮＯｘ吸蔵能力の回復操作であるリッチ燃焼モード運転をフィルタの再生操作を行う時だけに限定しているので、リッチ燃焼モード運転の回数が著しく少なくなり、燃費の悪化が抑制される。
【００４２】
なお、このリッチ燃焼モード運転以外の通常のエンジンの運転状態では、ＥＧＲ（排気ガス再循環）等を行ってＮＯｘの発生量を少なくしているので、このフィルタの下流側に配置したＮＯｘ吸蔵還元型触媒で浄化されるＮＯｘは少なく、通常のエンジンの運転状態においては、ＮＯｘ吸蔵能力を回復させる必要は殆ど無い。
【００４３】
また、このリッチ燃焼モード運転を行ってから、フィルタの再生操作を行うことにより、フィルタの再生操作開始時のＮＯｘ吸蔵還元型触媒の状態が毎回一定の状態となるため、その後のリッチ燃焼モード運転の繰り返しの制御を、所定の時間間隔で行うだけで、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ吸蔵能力の回復作業が適切に行われるようになる。
【００４４】
【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装置とその再生制御方法について、図面を参照しながら説明する。
【００４５】
図１に、この実施の形態の排気ガス浄化装置１０，１０Ａの構成を示す。この排気ガス浄化装置１０，１０Ａは、エンジンＥの排気通路２に設けられ、上流側の連続再生型ディーゼルパティキュレートフィルタ装置（以下連続再生型ＤＰＦ装置という）３，３Ａと、下流側の窒素酸化物（ＮＯｘ）吸蔵還元型触媒４と、再生制御手段５１とから構成される。
【００４６】
図１（ａ）に示す連続再生型ＤＰＦ装置３は、上流側の一酸化窒素（ＮＯ）を酸化して二酸化窒素（ＮＯ2 ）にする酸化触媒３ａと、下流側の排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集するフィルタ３ｂを有して形成される。
【００４７】
この酸化触媒３ａは、多孔質のセラミックのハニカム構造等の担持体に、白金（Ｐｔ）等の酸化触媒を担持させて形成される。
【００４８】
また、図１（ｂ）に示す連続再生型ＤＰＦ装置３Ａは、触媒を担持した排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集するフィルタ３Ａｂを有して形成される。
【００４９】
これらのフィルタ３ｂ，３Ａｂは、多孔質のセラミックのハニカムのチャンネル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や、アルミナ等の無機繊維をランダムに積層したフェルト状のフィルタ等で形成され、排気ガスＧ中のＰＭは多孔質のセラミックの壁や無機繊維で捕集されることになる。
【００５０】
そして、図１（ａ）に示す連続再生型ＤＰＦ装置（ＣＲＴ）３の場合には、触媒は担持されないが、図１（ｂ）に示す連続再生型ＤＰＦ装置（ＣＳＦ）３Ａの場合には、白金及び酸化セリウム（ＣｅＯ2 ）等の触媒が担持された触媒付きフィルタ３Ａｂとなる。
【００５１】
また、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒４は、窒素酸化物（ＮＯｘ）吸蔵物質４ａと酸化触媒４ｂを含んで構成され、コーディエライトやステンレス等の担持体上に形成された、多孔質のゼオライトやアルミナ等の多孔質コート材で形成された担持層に、ＮＯｘ吸蔵機能を持つカリウム（Ｋ）、バリウム（Ｂａ）、ランタン（Ｌａ）等のＮＯｘ吸蔵物質（Ｒ）４ａと白金（Ｐｔ）等の触媒活性金属からなる酸化触媒４ｂとが担持されて形成される。そして、このＮＯｘ吸蔵還元型触媒４は、排気ガス中のＯ2 濃度及びＣＯ濃度によってＮＯｘ吸蔵とＮＯｘ放出・還元浄化の機能を果たす。
【００５２】
更に、このＮＯｘ吸蔵還元型触媒４の担持層表面にＣｅ（セリウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）等のＯ２吸蔵物質を担持させ、このＯ２吸蔵物質のＯ２吸蔵及び放出機能を利用して、エンジンをリッチ燃焼からリーン燃焼へ運転条件を切替えた時の初期状態におけるＮＯｘ吸蔵性能の改善と、リーン燃焼からリッチ燃焼へ切替えた時の初期状態におけるＮＯｘ浄化率の改善の両方を図り、全体として排気ガス中のＮＯｘに対する浄化性能を著しく向上させることもできる。
【００５３】
また、再生制御手段５１は、通常、エンジン運転の全般的な制御を行うと共に、フィルタ３ｂ，３Ａｂの再生制御も行うエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）と呼ばれる制御装置５の一部に組み込まれ、排気ガス処理装置の前後等に設けられた排気圧力センサ５２、５３や排気温度センサ５４等の検出値を入力し、フィルタ３ｂ，３Ａｂの再生操作やＮＯｘ吸蔵還元型触媒４のＮＯｘ吸蔵能力の回復操作等を指令制御するものである。
【００５４】
この再生制御手段５１は、連続再生型ＤＰＦ装置３，３Ａのフィルタ３ｂ，３Ａｂの再生操作としてエンジンＥの燃料噴射をリタードさせたり、後噴射したりして、排気ガス温度を上昇させ、また、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒４のＮＯｘ吸蔵能力を回復させるための操作として、空燃比を通常のリーン燃焼からリッチ燃焼に切替える。
【００５５】
次に以上の構成の排気ガス浄化装置１０，１０Ａにおける再生制御方法について説明する。
【００５６】
本発明においては、この再生制御手段５１が、フィルタ３ｂ、３Ａｂの再生操作を行う場合においてのみ、エンジンＥの燃焼状態を一時的にリッチ燃焼モード運転に切替えて、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒４のＮＯｘ吸蔵能力を回復させるように構成する。
【００５７】
また、一時的なリッチ燃焼モード運転を行ってから、フィルタ３ｂ，３Ａｂの再生操作に入るように構成される。
【００５８】
この再生制御方法は図２に例示するようなフローに従って行われる。
【００５９】
例示したこのフローは説明し易いように、エンジンＥの制御フローと並行して、繰り返し呼ばれて実施される再生制御フローとして示している。つまり、エンジンＥの運転制御中は並行してこのフローが一定時間毎に繰り返し呼ばれて実行され、エンジンＥの制御が終了するとこのフローも呼ばれなくなり実質的にフィルタ３ｂ，３Ａｂの再生操作及びＮＯｘ吸蔵還元型触媒４のＮＯｘ吸蔵能力の回復操作のための再生制御も終了するものとして構成している。
【００６０】
図２の再生制御フローでは、ステップＳ１１でフィルタ３ｂ，３Ａｂの再生操作である再生モード運転を行うか否かを判定し、再生モード運転を行わないと判断した場合には、そのままリターンし、再生モード運転を行うと判断した場合には、ステップＳ１２でＮＯｘ吸蔵還元型触媒４のＮＯｘ吸蔵能力の回復操作のための一時的なリッチ燃焼モード運転を行う。
【００６１】
そして、ステップＳ１２の一時的なリッチ燃焼モード運転の後で、ステップＳ１３の再生モード運転を行い、再生モード運転を終了したら、リターンする。
【００６２】
このステップＳ１１の再生モード運転を行うか否かは、フィルタ３ｂ，３Ａｂの上流側の第１排気圧センサ５２で検出する排圧Ｐｅが所定の第１排圧判定値Ｐｅmax 以上になった時に行うと判断する。
【００６３】
なお、このステップＳ１１の再生モード運転の開始の判定には、この他に、フィルタ３ｂ，３Ａｂの上流側の第１排気圧センサ５２で検出する排圧Ｐ１と、フィルタ３ｂの下流側の第２排気圧センサ５３で検出する排圧Ｐ２との差圧ΔＰｅ＝Ｐ１−Ｐ２が所定の差圧判定値ΔＰｅmax 以上になった時に行うという判定方法を追加する場合もあり、それ以外の判定を行うこともできる。
【００６４】
ステップＳ１２の一時的なリッチ燃焼モード運転は、理論空燃比及び理論空燃比に近い空燃比であるリッチ燃焼を行って、排気ガスＧ中の酸素を略ゼロとした高温のリッチスパイクガスと呼ばれる排気ガスを発生させて、このリッチスパイクガスにより、ＮＯｘを吸蔵し硝酸塩等に変化したＮＯｘ吸蔵物質４ａはＮＯ2 を放出して元の物質に戻る。このＮＯ2 の放出は通常１秒以下の短時間で行われるので、一時的なリッチ燃焼モード運転は、約０．１秒〜５秒程度でよい。
【００６５】
この放出されるＮＯ2 は、排気ガスＧ中にＯ2 が存在しないので、排気ガスＧ中のＣＯ，ＨＣ，Ｈ2 等を還元剤として、酸化触媒４ｂの触媒作用により、Ｈ2 Ｏ，ＣＯ2 ，Ｎ2 に還元され、浄化された排ガスＧｃとして排出される。
【００６６】
そして、ステップＳ１３の再生モード運転では、エンジンＥの燃料噴射の主噴射のタイミングの遅延操作（リタード）や後噴射（ポストインジェクション）によって、あるいは、吸気絞り等によって、排気温度を上昇させ、また、排気ガス中のＮＯの量を増加させることにより、ＰＭを燃焼除去する。
【００６７】
このＰＭの燃焼除去は、（２ＮＯ＋Ｏ2 →ＮＯ2 ，２ＮＯ2 ＋Ｃ→ＣＯ2 ＋２ＮＯ）の反応で、２５０℃〜４５０℃程度の比較的低温で行われる。
【００６８】
このＰＭの燃焼除去した後に残るＮＯは、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒４の酸化触媒４ｂの触媒作用により酸化されてＮＯ2 になり、ＮＯｘ吸蔵物質４ａに硝酸塩（例えばＢａ（ＮＯ3 ）2 ）等の形で吸蔵され、排気ガス中には排出されない。
【００６９】
そして、このＮＯｘ吸蔵還元型触媒４のＮＯｘ吸蔵能力は、フィルタ３ｂ，３Ａｂの再生モード運転の時間（約１分〜２０分間程度）よりも、短時間（約１分程度）で飽和してしまうので、再生モード運転中においても、この飽和前に、所定の時間間隔（約４０秒〜５０秒間）で、ステップＳ１２と同様な一時的なリッチ燃焼モード運転（約０．１秒〜５秒間程度）を繰り返し行って、ＮＯｘ吸蔵物質４ａからＮＯ2 を放出させ、ＮＯｘ吸蔵前の物質に戻すと共に、酸化触媒４ｂの触媒作用により、Ｎ2 に還元浄化させる。これによりＮＯｘ吸蔵物質４ａのＮＯｘ吸蔵能力を回復させる。
【００７０】
以上の構成の排気ガス浄化装置１０，１０Ａとその制御方法によれば、ＰＭをＮＯ2 を用いて燃焼させてフィルタ３ｂ，３Ａｂを再生する時に発生するＮＯを、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒４により浄化することができ、常に排気ガスの状態をクリーンにできる。
【００７１】
また、ＮＯ浄化用にＮＯｘ吸蔵還元型触媒を採用しているので、ＳＣＲ（選択触媒還元）触媒を使用する場合のような還元剤の供給が不要となり、還元剤タクンや還元剤供給装置が不要となる。
【００７２】
そして、ＮＯｘ吸蔵能力を回復させるリッチ燃焼モード運転をフィルタ３ｂ，３Ａｂの再生操作時にだけ行う構成にしているので、リッチ燃焼モード運転の回数が減少し、燃費の悪化を抑制することができる。
【００７３】
更に、リッチ燃焼モード運転を行ってからフィルタ３ｂ，３Ａｂの再生操作を行う構成により、フィルタ３ｂ，３Ａｂの再生操作開始時のＮＯｘ吸蔵還元型触媒４のＮＯｘ吸蔵能力を初期状態に戻すことができるので、その後のリッチ燃焼モード運転の繰り返しの制御を容易にすることができる。
【００７４】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の排気ガス浄化装置及びその再生制御方法によれば、次のような効果を奏することができる。
【００７５】
酸化触媒とフィルタを有するか、又は、触媒を担持したフィルタを有する連続再生型ディーゼルパティキュレートフィルタ装置を備えた排気ガス浄化装置において、ＰＭをＮＯ2 を用いて燃焼させてフィルタを再生する時に発生するＮＯを、窒素酸化物（ＮＯｘ）吸蔵還元型触媒により浄化することができる。
【００７６】
また、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を採用しているので、ＳＣＲ（選択触媒還元）触媒を使用する場合のような還元剤の供給が不要となり、還元剤タンクや還元剤供給装置を不要とすることができる。
【００７７】
そして、このＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ吸蔵能力を回復させるための操作であるリッチ燃焼モード運転をフィルタの再生操作を行う時のみに限定しているので、リッチ燃焼モード運転の回数が必要最小限となり、燃費の増加を抑制することができる。
【００７８】
更に、リッチ燃焼モード運転を行ってからフィルタの再生操作を行うことにより、フィルタの再生操作開始時のＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ吸蔵能力の状態を一定の状態とすることができるので、その後のリッチ燃焼モード運転の繰り返しの制御を、所定の時間間隔で行うだけで、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ吸蔵能力の回復作業を適切に行うことができる。
【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装置の構成を示す図であり、（ａ）は酸化触媒とフィルタを有する連続再生ＤＰＦ装置（ＣＲＴ）を備えた排気ガス浄化装置の構成図で、（ｂ）は触媒付フィルタを有する連続再生ＤＰＦ装置（ＣＳＦ）を備えた排気ガス浄化装置の構成図である。
【図２】本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化装置の再生制御方法を示すフロー図である。
【図３】連続再生ＤＰＦ装置（ＣＲＴ）の構成図である。
【図４】連続再生ＤＰＦ装置（ＣＲＴ）のＰＭ燃焼のメカニズムを説明するための図である。
【図５】連続再生ＤＰＦ装置（ＣＳＦ）の構成図である。
【図６】連続再生ＤＰＦ装置（ＣＳＦ）のＰＭ燃焼のメカニズムを説明するための図である。
【図７】窒素酸化物吸蔵還元型触媒の触媒構造体を示す図である。
【図８】図７のＡ部分の拡大模式図である。
【図９】窒素酸化物吸蔵還元型触媒の排気ガス中のＮＯｘを浄化するメカニズムを示す模式図であり、（ａ）は希薄（リーン）燃焼状態でＮＯｘを吸蔵する場合を、（ｂ）はリッチ燃焼状態でＮＯｘを放出及び還元浄化する場合を示す。
【符号の説明】
Ｅ エンジン
２ 排気通路
３，３Ａ 連続再生型ディーゼルパティキュレートフィルタ装置
３ａ 酸化触媒
３ｂ，３Ａｂ フィルタ（触媒付フィルタ）
４ 窒素酸化物吸蔵還元型触媒
４ａ 窒素酸化物吸蔵物質
４ｂ 酸化触媒
１０，１０Ａ 排気ガス浄化装置
５１ 再生制御手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼルエンジンの粒子状物質を捕集して排気ガスを浄化する排気ガス浄化装置及びその再生制御方法に関するものである。
【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：以下ＰＭ）の排出量は、窒素酸化物（以下ＮＯｘ），一酸化炭素（以下ＣＯ）そして炭化水素（以下ＨＣ）等と共に年々規制が強化されてきており、この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】
このＰＭを捕集するＤＰＦにはセラミック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装置は、他の排気ガス浄化装置と同様に、エンジンの排気管に設置され、エンジンで発生する排気ガスを浄化して排出している。
【０００４】
しかし、このＰＭ捕集用のＤＰＦは、ＰＭの捕集に伴って目詰まりが進行し、捕集したＰＭの量に略比例して排気ガス圧力（排圧）が上昇するので、このＤＰＦからＰＭを除去する必要があり、幾つかの方法及び装置が開発されている。
【０００５】
その一つに、ＣＲＴ(Continuously Regererating Trap) と呼ばれる連続再生型ＤＰＦ装置がある。この連続再生型ＤＰＦ装置２０Ａは、図３に示すように、酸化触媒２１Ａとフィルタ２２Ａとで構成されている。
【０００６】
この上流側の酸化触媒２１Ａは白金（Ｐｔ）等を担持した酸化触媒で形成され、この酸化触媒２１Ａは、ＨＣとＣＯをＣＯ2 （二酸化炭素）とＨ2 Ｏ（水）に変化させると共に、排気ガス中のＮＯｘのうちＮＯ（一酸化窒素）を（２ＮＯ＋Ｏ2 →ＮＯ2 ）の反応によりＮＯ2 （二酸化窒素）に効率よく変化させ、ＮＯ2 の比率を高める役割を担っている。
【０００７】
そして、下流側のフィルタ２２Ａは、コーディエライトと呼ばれる素焼きの蜂の巣状のモノリスを使用したウオールフロー・タイプのフィルタ等で形成され、このフィルタでＰＭを捕集する。
【０００８】
この捕集により堆積したＰＭのＣ（炭素）成分は、図４に示すエンジン運転状態の領域Ａでは、上流側の酸化触媒２１Ａで濃度を高められたＮＯ2 により、フィルタ２２Ａ上で（２ＮＯ2 ＋Ｃ→ＣＯ2 ＋２ＮＯ）の反応をして、酸化されＣＯ2 となり除去される。また、図４に示す領域Ｂでは、フィルタ２２Ａ上で（Ｃ＋Ｏ2 →ＣＯ2 ）の反応により、Ｏ2 （酸素）で酸化されＣＯ2 となり除去される。
【０００９】
この装置では、Ｏ2 でＰＭを燃焼させる場合と比べて、ＮＯ2 を用いることにより、３５０℃程度の低温でＰＭを燃焼させることが可能となる。そのため、従来のＯ2 による高温におけるＰＭ燃焼の際に発生するＰＭの急速燃焼によるフィルタの溶損を回避できる。
【００１０】
しかしながら、この連続再生型ＤＰＦ装置２０Ａでは、通常のエンジンの運転状態では、ＰＭを捕集しながら、上述のメカニズムにより、フィルタで捕集したＰＭを燃焼除去しているが、アイドリング運転を下り坂運転等の排気ガス温度が２５０℃よりも低く、酸化触媒の活性が低下するエンジンの運転状態（図４の領域Ｃ）や、排気ガス温度がＮＯ2 とＰＭの反応温度（４５０℃）よりも高く、Ｏ2 とＰＭの反応温度（６００℃以上）よりも低いエンジンの運転状態（図４の領域Ｄ）においては、ＰＭの燃焼除去が行われず、ＰＭがフィルタ２２Ａに継続的に堆積するので、フィルタ２２Ａが目詰まりすることになる。
【００１１】
そのため、この連続再生型ＤＰＦ装置２０Ａにおいても、フィルタ２２Ａの目詰まり状態をフィルタ２２Ａ前後の排気圧力センサ５２Ａ，５３Ａ等で監視し、フィルタ２２Ａの再生が必要であると判断した時は、エンジンの燃料噴射において主噴射のタイミングの遅延（リタード）操作や後噴射（ポストインジェクション）等の燃料噴射制御を行ったり、吸気絞りを行ったりすることにより、排気ガス温度を上昇させて再生処理を行っている。
【００１２】
また、図５に示すような別のＣＳＦ(Catalyzed Soot Filter) と呼ばれる連続再生型ＤＰＦ装置２０Ｂがある。この連続再生型ＤＰＦ装置２０Ｂは、触媒付きフィルタ２２Ｂとで構成され、図６に示すような低温の領域Ａでは、主に（２ＮＯ＋Ｏ2 →２ＮＯ2 ）、（２ＮＯ2 ＋Ｃ→ＣＯ2 ＋２ＮＯ）の反応により、また、領域Ｂでは、（４ＣｅＯ2 ＋Ｃ→２Ｃｅ2 Ｏ3 ＋ＣＯ2 ，２ＣｅＯ3 ＋Ｏ2 →４ＣｅＯ2 ）の反応により、そして、領域Ｃでは、（Ｃ＋Ｏ2 →ＣＯ2 ）の反応によりＰＭを酸化してＣＯ2 にして排出している。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの連続再生型ＤＰＦ装置２０Ａ，２０Ｂにおいては、ＮＯ2 でＰＭを酸化する過程があるため、ＰＭを酸化してフィルタ２２Ａ，２２Ｂを再生する際に、ＮＯが発生するという問題がある。
【００１４】
そのため、フィルタ２２Ａ，２２Ｂの下流側にＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction ：選択触媒還元方式）のＮＯｘ除去触媒を配置し、このＮＯやＮＯ2 の方を優先的（選択的）に還元剤と反応させる選択還元触媒により、ＮＯｘをＮ2 （窒素）とＨ2 Ｏに還元し、ＮＯの排出を回避する排気ガス浄化装置が考えられている。
【００１５】
しかしながら、このＳＣＲのＮＯｘ除去触媒においては、ＮＯｘを酸化雰囲気中で還元するため、ＮＨ3 （アンモニア）やＣＨ4 Ｎ2 Ｏ（尿素）等の還元剤の投入が必要となり、車両等の場合にはこの還元剤用のタンクや還元剤の噴射装置等の諸設備の追設が必要となるという問題がある。
【００１６】
一方、排気ガス中のＮＯｘを除去するための触媒として、特許公報第２６００４９２号や特願２０００−０９８１８３号等に記載されているＮＯｘ吸蔵還元型触媒がある。
【００１７】
このＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、空燃比がリーンの時にはＮＯｘを吸蔵し、空燃比がリッチの時にはＮＯｘを放出及び還元浄化するものであり、このＮＯｘ吸蔵還元触媒の担持層表面における活性金属の配置と、ＮＯｘの還元浄化のメカニズムを図７〜図９に示す。
【００１８】
このＮＯｘ吸蔵還元型触媒の触媒構造体３０は、排気ガスの通路となるセル３６を有する担持体３５上に、多孔質のゼオライトやアルミナ等の多孔質コート材で形成された担持層３１が形成され、この担持層３１に、ＮＯｘ吸蔵機能を持つカリウム（Ｋ）、バリウム（Ｂａ）、ランタン（Ｌａ）等のＮＯｘ吸蔵物質（Ｒ）３２ａと酸化触媒機能を有する白金（Ｐｔ）等の触媒活性金属３２ｂとが担持され、排気ガス中のＯ2 濃度及びＣＯ濃度によってＮＯｘ吸蔵とＮＯｘ放出及び還元浄化の機能を果たしている。
【００１９】
このＮＯｘ吸蔵還元型触媒３０においては、通常のディーゼルエンジンや希薄燃焼ガソリンエンジン等のように、排気ガス中にＯ2 が含まれる希薄（リーン）空燃比の運転条件下では、図９（ａ）に示すように、排気ガス中のＮＯは、この排気ガス中のＯ2 により、白金等の触媒金属３２ｂの酸化機能によっで酸化されてＮＯ2 になる。そして、ＮＯ2 は、バリウム（Ｂａ）等のＮＯｘ吸蔵物質３２ａが硝酸塩（例えばＢａ（ＮＯ3 ）2 ）等の形で吸蔵するので排気ガス中のＮＯｘが浄化される。
【００２０】
しかし、この状態が継続すると、ＮＯｘ吸蔵機能を持つＮＯｘ吸蔵物質３２ａは、全て硝酸塩等に変化してＮＯｘ吸蔵機能を失ってしまうので、エンジンの運転状態を変更して、理論空燃比及び理論空燃比に近い空燃比であるリッチ燃焼を行って、リッチスパイクガスと呼ばれる、排気ガス中のＯ2 を略ゼロとした高温の排気ガスを発生させて、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３０に送る。
【００２１】
図９（ｂ）に示すように、このリッチスパイクガスにより、ＮＯｘを吸蔵したＮＯｘ吸蔵物質３２ａの硝酸塩（硝酸バリウム）等は元の状態（バリウム）に戻り、ＮＯ2 を放出する。この放出されたＮＯ2 は、排気ガス中に酸素が存在しないので、酸化触媒３２ｂ上で排気ガス中のＣＯ，ＨＣ，Ｈ2 等を還元剤として、Ｈ2 Ｏ，ＣＯ2 ，Ｎ2 に還元され浄化される。
【００２２】
つまり、ディーゼルエンジンにおいては、通常の運転は希薄燃焼で行い、ＮＯｘをＮＯｘ吸蔵触媒３２ａに吸蔵し、この希薄燃焼と交互に行うＮＯｘ吸蔵機能回復のためのリッチ燃焼運転条件下では、吸蔵したＮＯｘを放出すると共に、酸化触媒３２ｂにより、ＮＯｘを還元して、排気ガスを継続的に浄化している。
【００２３】
そして、特願２０００−０９８１８３号では、このＮＯｘ吸蔵触媒の担持層表面にＣｅ，Ｚｒ等の酸素（Ｏ2 ）吸蔵物質を担持させ、このＯ2 吸蔵物質のＯ2 吸蔵及び放出機能を利用することにより、エンジンの空燃比をリッチからリーンへの運転条件を切替えた時の初期状態におけるＮＯｘ吸蔵性能を改善すると共に、リーンからリッチへ切り替えた時の初期状態におけるＮＯｘ浄化率を改善し、全体として排気ガス中のＮＯｘに対する浄化性能を著しく向上させている。
【００２４】
本発明は、上述の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、ＣＲＴやＣＳＦ等の連続再生型ディーゼルパティキュレートフィルタ装置を備えた排気ガス浄化装置において、フィルタ下流側に設けたＮＯｘ吸蔵触媒のＮＯｘ吸蔵性能を効率よく回復しながら、フィルタの再生時に発生するＮＯｘを効率よく浄化できて、フィルタ再生時に発生するＮＯｘの放出を防止できる排気ガス浄化装置及びその再生制御方法を提供することにある。
【００２５】
【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装置は、次のように構成される。
【００２６】
１）ディーゼルエンジンの排気通路に設けられ、酸化触媒とフィルタを有する連続再生型ディーゼルパティキュレートフィルタ装置、又は、触媒を担持したフィルタを有する連続再生型ディーゼルパティキュレートフィルタ装置を備えて排気ガス中の粒子状物質を捕集する排気ガス浄化装置において、前記フィルタの下流側に、窒素酸化物吸蔵物質と酸化触媒を含む窒素酸化物吸蔵還元型触媒を配設すると共に、前記フィルタに捕集された粒子状物質を燃焼除去する前記フィルタの再生操作と前記窒素酸化物吸蔵還元型触媒における窒素酸化物吸蔵能力の回復操作を制御する再生制御手段を備え、該再生制御手段が、前記フィルタの再生操作を行う場合においてのみ、前記ディーゼルエンジンの燃焼状態を一時的にリッチ燃焼モード運転に切替えて略無酸素状態の高温の排気ガスを発生させて、この排気ガスによって前記窒素酸化物吸蔵物質に吸蔵された窒素酸化物を放出させるとともに、放出させた窒素酸化物をこの略無酸素状態における前記窒素酸化物吸蔵還元型触媒の酸化触媒を用いて還元させて前記排気通路から排出させて前記窒素酸化物吸蔵還元型触媒の窒素酸化物吸蔵能力を回復させるように構成する。
【００２７】
この窒素酸化物（ＮＯｘ）吸蔵還元型触媒は、多孔質のゼオライトやアルミナ等の多孔質コート材で形成された担持層に、酸化触媒機能を有する白金（Ｐｔ）等の触媒活性金属と、ＮＯｘ吸蔵機能を持つカリウム（Ｋ）、バリウム（Ｂａ）、ランタン（Ｌａ）等のＮＯｘ吸蔵物質とを担持して形成される。
【００２８】
そして、このＮＯｘ吸蔵触媒の機能を向上させるために、この担持層にＣｅ（セリウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）等の酸素吸蔵物質を担持させたり、ＨＣ等の還元剤を吸着及び放出する還元剤吸着物質を担持させることもできる。
【００２９】
このＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、排気ガス中の酸素濃度及び一酸化炭素濃度によってＮＯｘ吸蔵とＮＯｘ放出・還元浄化の機能を果たすものである。
【００３０】
また、一時的なリッチ燃焼モード運転は、約０．１秒〜５秒程度の一時的な間、空燃比を理論空燃比又は理論空燃比に近い空燃比にした排気ガス中の酸素濃度が低い状態のエンジンの運転であり、このリッチ燃焼モード運転を、フィルタの再生操作（再生モード運転）の開始直前及びフィルタの再生操作中の時だけ行うように構成される。
【００３１】
このフィルタの再生操作の約１分〜２０分程度に対して、一酸化窒素（ＮＯ）等のＮＯｘを吸蔵する能力は、ＮＯｘ吸蔵触媒を備えた窒素酸化物吸蔵型触媒の装置をできるだけ小型に構成しているので、約１分間程度の比較的短時間の容量となる。
【００３２】
従って、フィルタの再生操作中に、ＮＯｘ吸蔵能力が飽和する前の所定の時間間隔に基づいて、又はＮＯｘ吸蔵能力の飽和を監視するＮＯｘセンサの検出値に基づいて、繰り返し約０．１秒〜５秒程度のリッチ燃焼モード運転を行い、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ吸蔵能力を回復させる。
【００３３】
このＮＯｘ吸蔵能力が飽和する前の所定の時間間隔は、予め実験などで求めておき、再生制御手段に入力しておくものであり、等間隔（例えば５０秒間隔）とする場合もあり、フィルタの再生状態の変化によるＮＯ量の変化を考慮した不等間隔とする場合もある。
【００３４】
２）上記の排気ガス浄化装置において、前記再生制御手段が、前記一時的なリッチ燃焼モード運転を行ってから、前記フィルタの再生操作に入るように構成される。
【００３５】
そして、フィルタの再生操作中に生成される一酸化窒素（ＮＯ）の吸着・吸蔵をより確実にするために、フィルタの再生操作の再生開始前に、リッチ燃焼モード運転してＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ吸蔵能力を回復させてから、フィルタの再生操作を行う。
【００３６】
また、この排気ガス浄化装置の再生制御方法は、次のように構成される。
【００３７】
１）ディーゼルエンジンの排気通路に設けられ、酸化触媒とフィルタを有する連続再生型ディーゼルパティキュレートフィルタ装置、又は、触媒を担持したフィルタを有する連続再生型ディーゼルパティキュレートフィルタ装置を備えると共に、前記フィルタの下流側に、窒素酸化物吸蔵物質と酸化触媒を含む窒素酸化物吸蔵還元型触媒を配設して排気ガス中の粒子状物質を捕集する排気ガス浄化装置の再生制御方法において、前記フィルタに捕集された粒子状物質を燃焼除去する前記フィルタの再生操作と前記窒素酸化物吸蔵還元型触媒における窒素酸化物吸蔵能力の回復操作を制御する再生制御手段を備え、該再生制御手段が、前記フィルタの再生操作に際してのみ、前記ディーゼルエンジンの燃焼状態を一時的にリッチ燃焼モード運転に切替え、略無酸素状態の高温の排気ガスを発生させて、この排気ガスによって前記窒素酸化物吸蔵物質に吸蔵された窒素酸化物を放出させるとともに、放出させた窒素酸化物をこの略無酸素状態における前記窒素酸化物吸蔵還元型触媒の酸化触媒を用いて還元させて前記排気通路から排出させ、前記窒素酸化物吸蔵還元型触媒の窒素酸化物吸蔵能力を回復させるように構成される。
【００３８】
２）そして、上記の排気ガス浄化装置の再生制御方法において、前記再生制御手段が、前記一時的なリッチ燃焼モード運転を行ってから、前記フィルタの再生操作に入るように構成される。
【００３９】
以上の構成の排気ガス浄化装置及びその再生制御方法によれば、酸化触媒とフィルタを有するか、又は、触媒を担持したフィルタを有する連続再生型ディーゼルパティキュレートフィルタ装置を備えた排気ガス浄化装置において、ＮＯ2 を用いてＰＭを燃焼させてフィルタを再生する時に発生するＮＯは、窒素酸化物（ＮＯｘ）吸蔵還元型触媒により浄化される。
【００４０】
また、このＮＯｘ吸蔵還元型触媒を採用しているので、ＳＣＲ（選択触媒還元）触媒を使用する場合のような還元剤の供給が不要となり、還元剤タンクや還元剤供給装置不要となる。
【００４１】
そして、このＮＯｘ吸蔵触媒のＮＯｘ吸蔵能力の回復操作であるリッチ燃焼モード運転をフィルタの再生操作を行う時だけに限定しているので、リッチ燃焼モード運転の回数が著しく少なくなり、燃費の悪化が抑制される。
【００４２】
なお、このリッチ燃焼モード運転以外の通常のエンジンの運転状態では、ＥＧＲ（排気ガス再循環）等を行ってＮＯｘの発生量を少なくしているので、このフィルタの下流側に配置したＮＯｘ吸蔵還元型触媒で浄化されるＮＯｘは少なく、通常のエンジンの運転状態においては、ＮＯｘ吸蔵能力を回復させる必要は殆ど無い。
【００４３】
また、このリッチ燃焼モード運転を行ってから、フィルタの再生操作を行うことにより、フィルタの再生操作開始時のＮＯｘ吸蔵還元型触媒の状態が毎回一定の状態となるため、その後のリッチ燃焼モード運転の繰り返しの制御を、所定の時間間隔で行うだけで、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ吸蔵能力の回復作業が適切に行われるようになる。
【００４４】
【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装置とその再生制御方法について、図面を参照しながら説明する。
【００４５】
図１に、この実施の形態の排気ガス浄化装置１０，１０Ａの構成を示す。この排気ガス浄化装置１０，１０Ａは、エンジンＥの排気通路２に設けられ、上流側の連続再生型ディーゼルパティキュレートフィルタ装置（以下連続再生型ＤＰＦ装置という）３，３Ａと、下流側の窒素酸化物（ＮＯｘ）吸蔵還元型触媒４と、再生制御手段５１とから構成される。
【００４６】
図１（ａ）に示す連続再生型ＤＰＦ装置３は、上流側の一酸化窒素（ＮＯ）を酸化して二酸化窒素（ＮＯ2 ）にする酸化触媒３ａと、下流側の排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集するフィルタ３ｂを有して形成される。
【００４７】
この酸化触媒３ａは、多孔質のセラミックのハニカム構造等の担持体に、白金（Ｐｔ）等の酸化触媒を担持させて形成される。
【００４８】
また、図１（ｂ）に示す連続再生型ＤＰＦ装置３Ａは、触媒を担持した排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集するフィルタ３Ａｂを有して形成される。
【００４９】
これらのフィルタ３ｂ，３Ａｂは、多孔質のセラミックのハニカムのチャンネル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や、アルミナ等の無機繊維をランダムに積層したフェルト状のフィルタ等で形成され、排気ガスＧ中のＰＭは多孔質のセラミックの壁や無機繊維で捕集されることになる。
【００５０】
そして、図１（ａ）に示す連続再生型ＤＰＦ装置（ＣＲＴ）３の場合には、触媒は担持されないが、図１（ｂ）に示す連続再生型ＤＰＦ装置（ＣＳＦ）３Ａの場合には、白金及び酸化セリウム（ＣｅＯ2 ）等の触媒が担持された触媒付きフィルタ３Ａｂとなる。
【００５１】
また、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒４は、窒素酸化物（ＮＯｘ）吸蔵物質４ａと酸化触媒４ｂを含んで構成され、コーディエライトやステンレス等の担持体上に形成された、多孔質のゼオライトやアルミナ等の多孔質コート材で形成された担持層に、ＮＯｘ吸蔵機能を持つカリウム（Ｋ）、バリウム（Ｂａ）、ランタン（Ｌａ）等のＮＯｘ吸蔵物質（Ｒ）４ａと白金（Ｐｔ）等の触媒活性金属からなる酸化触媒４ｂとが担持されて形成される。そして、このＮＯｘ吸蔵還元型触媒４は、排気ガス中のＯ2 濃度及びＣＯ濃度によってＮＯｘ吸蔵とＮＯｘ放出・還元浄化の機能を果たす。
【００５２】
更に、このＮＯｘ吸蔵還元型触媒４の担持層表面にＣｅ（セリウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）等のＯ２吸蔵物質を担持させ、このＯ２吸蔵物質のＯ２吸蔵及び放出機能を利用して、エンジンをリッチ燃焼からリーン燃焼へ運転条件を切替えた時の初期状態におけるＮＯｘ吸蔵性能の改善と、リーン燃焼からリッチ燃焼へ切替えた時の初期状態におけるＮＯｘ浄化率の改善の両方を図り、全体として排気ガス中のＮＯｘに対する浄化性能を著しく向上させることもできる。
【００５３】
また、再生制御手段５１は、通常、エンジン運転の全般的な制御を行うと共に、フィルタ３ｂ，３Ａｂの再生制御も行うエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）と呼ばれる制御装置５の一部に組み込まれ、排気ガス処理装置の前後等に設けられた排気圧力センサ５２、５３や排気温度センサ５４等の検出値を入力し、フィルタ３ｂ，３Ａｂの再生操作やＮＯｘ吸蔵還元型触媒４のＮＯｘ吸蔵能力の回復操作等を指令制御するものである。
【００５４】
この再生制御手段５１は、連続再生型ＤＰＦ装置３，３Ａのフィルタ３ｂ，３Ａｂの再生操作としてエンジンＥの燃料噴射をリタードさせたり、後噴射したりして、排気ガス温度を上昇させ、また、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒４のＮＯｘ吸蔵能力を回復させるための操作として、空燃比を通常のリーン燃焼からリッチ燃焼に切替える。
【００５５】
次に以上の構成の排気ガス浄化装置１０，１０Ａにおける再生制御方法について説明する。
【００５６】
本発明においては、この再生制御手段５１が、フィルタ３ｂ、３Ａｂの再生操作を行う場合においてのみ、エンジンＥの燃焼状態を一時的にリッチ燃焼モード運転に切替えて、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒４のＮＯｘ吸蔵能力を回復させるように構成する。
【００５７】
また、一時的なリッチ燃焼モード運転を行ってから、フィルタ３ｂ，３Ａｂの再生操作に入るように構成される。
【００５８】
この再生制御方法は図２に例示するようなフローに従って行われる。
【００５９】
例示したこのフローは説明し易いように、エンジンＥの制御フローと並行して、繰り返し呼ばれて実施される再生制御フローとして示している。つまり、エンジンＥの運転制御中は並行してこのフローが一定時間毎に繰り返し呼ばれて実行され、エンジンＥの制御が終了するとこのフローも呼ばれなくなり実質的にフィルタ３ｂ，３Ａｂの再生操作及びＮＯｘ吸蔵還元型触媒４のＮＯｘ吸蔵能力の回復操作のための再生制御も終了するものとして構成している。
【００６０】
図２の再生制御フローでは、ステップＳ１１でフィルタ３ｂ，３Ａｂの再生操作である再生モード運転を行うか否かを判定し、再生モード運転を行わないと判断した場合には、そのままリターンし、再生モード運転を行うと判断した場合には、ステップＳ１２でＮＯｘ吸蔵還元型触媒４のＮＯｘ吸蔵能力の回復操作のための一時的なリッチ燃焼モード運転を行う。
【００６１】
そして、ステップＳ１２の一時的なリッチ燃焼モード運転の後で、ステップＳ１３の再生モード運転を行い、再生モード運転を終了したら、リターンする。
【００６２】
このステップＳ１１の再生モード運転を行うか否かは、フィルタ３ｂ，３Ａｂの上流側の第１排気圧センサ５２で検出する排圧Ｐｅが所定の第１排圧判定値Ｐｅmax 以上になった時に行うと判断する。
【００６３】
なお、このステップＳ１１の再生モード運転の開始の判定には、この他に、フィルタ３ｂ，３Ａｂの上流側の第１排気圧センサ５２で検出する排圧Ｐ１と、フィルタ３ｂの下流側の第２排気圧センサ５３で検出する排圧Ｐ２との差圧ΔＰｅ＝Ｐ１−Ｐ２が所定の差圧判定値ΔＰｅmax 以上になった時に行うという判定方法を追加する場合もあり、それ以外の判定を行うこともできる。
【００６４】
ステップＳ１２の一時的なリッチ燃焼モード運転は、理論空燃比及び理論空燃比に近い空燃比であるリッチ燃焼を行って、排気ガスＧ中の酸素を略ゼロとした高温のリッチスパイクガスと呼ばれる排気ガスを発生させて、このリッチスパイクガスにより、ＮＯｘを吸蔵し硝酸塩等に変化したＮＯｘ吸蔵物質４ａはＮＯ2 を放出して元の物質に戻る。このＮＯ2 の放出は通常１秒以下の短時間で行われるので、一時的なリッチ燃焼モード運転は、約０．１秒〜５秒程度でよい。
【００６５】
この放出されるＮＯ2 は、排気ガスＧ中にＯ2 が存在しないので、排気ガスＧ中のＣＯ，ＨＣ，Ｈ2 等を還元剤として、酸化触媒４ｂの触媒作用により、Ｈ2 Ｏ，ＣＯ2 ，Ｎ2 に還元され、浄化された排ガスＧｃとして排出される。
【００６６】
そして、ステップＳ１３の再生モード運転では、エンジンＥの燃料噴射の主噴射のタイミングの遅延操作（リタード）や後噴射（ポストインジェクション）によって、あるいは、吸気絞り等によって、排気温度を上昇させ、また、排気ガス中のＮＯの量を増加させることにより、ＰＭを燃焼除去する。
【００６７】
このＰＭの燃焼除去は、（２ＮＯ＋Ｏ2 →ＮＯ2 ，２ＮＯ2 ＋Ｃ→ＣＯ2 ＋２ＮＯ）の反応で、２５０℃〜４５０℃程度の比較的低温で行われる。
【００６８】
このＰＭの燃焼除去した後に残るＮＯは、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒４の酸化触媒４ｂの触媒作用により酸化されてＮＯ2 になり、ＮＯｘ吸蔵物質４ａに硝酸塩（例えばＢａ（ＮＯ3 ）2 ）等の形で吸蔵され、排気ガス中には排出されない。
【００６９】
そして、このＮＯｘ吸蔵還元型触媒４のＮＯｘ吸蔵能力は、フィルタ３ｂ，３Ａｂの再生モード運転の時間（約１分〜２０分間程度）よりも、短時間（約１分程度）で飽和してしまうので、再生モード運転中においても、この飽和前に、所定の時間間隔（約４０秒〜５０秒間）で、ステップＳ１２と同様な一時的なリッチ燃焼モード運転（約０．１秒〜５秒間程度）を繰り返し行って、ＮＯｘ吸蔵物質４ａからＮＯ2 を放出させ、ＮＯｘ吸蔵前の物質に戻すと共に、酸化触媒４ｂの触媒作用により、Ｎ2 に還元浄化させる。これによりＮＯｘ吸蔵物質４ａのＮＯｘ吸蔵能力を回復させる。
【００７０】
以上の構成の排気ガス浄化装置１０，１０Ａとその制御方法によれば、ＰＭをＮＯ2 を用いて燃焼させてフィルタ３ｂ，３Ａｂを再生する時に発生するＮＯを、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒４により浄化することができ、常に排気ガスの状態をクリーンにできる。
【００７１】
また、ＮＯ浄化用にＮＯｘ吸蔵還元型触媒を採用しているので、ＳＣＲ（選択触媒還元）触媒を使用する場合のような還元剤の供給が不要となり、還元剤タクンや還元剤供給装置が不要となる。
【００７２】
そして、ＮＯｘ吸蔵能力を回復させるリッチ燃焼モード運転をフィルタ３ｂ，３Ａｂの再生操作時にだけ行う構成にしているので、リッチ燃焼モード運転の回数が減少し、燃費の悪化を抑制することができる。
【００７３】
更に、リッチ燃焼モード運転を行ってからフィルタ３ｂ，３Ａｂの再生操作を行う構成により、フィルタ３ｂ，３Ａｂの再生操作開始時のＮＯｘ吸蔵還元型触媒４のＮＯｘ吸蔵能力を初期状態に戻すことができるので、その後のリッチ燃焼モード運転の繰り返しの制御を容易にすることができる。
【００７４】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の排気ガス浄化装置及びその再生制御方法によれば、次のような効果を奏することができる。
【００７５】
酸化触媒とフィルタを有するか、又は、触媒を担持したフィルタを有する連続再生型ディーゼルパティキュレートフィルタ装置を備えた排気ガス浄化装置において、ＰＭをＮＯ2 を用いて燃焼させてフィルタを再生する時に発生するＮＯを、窒素酸化物（ＮＯｘ）吸蔵還元型触媒により浄化することができる。
【００７６】
また、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を採用しているので、ＳＣＲ（選択触媒還元）触媒を使用する場合のような還元剤の供給が不要となり、還元剤タンクや還元剤供給装置を不要とすることができる。
【００７７】
そして、このＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ吸蔵能力を回復させるための操作であるリッチ燃焼モード運転をフィルタの再生操作を行う時のみに限定しているので、リッチ燃焼モード運転の回数が必要最小限となり、燃費の増加を抑制することができる。
【００７８】
更に、リッチ燃焼モード運転を行ってからフィルタの再生操作を行うことにより、フィルタの再生操作開始時のＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ吸蔵能力の状態を一定の状態とすることができるので、その後のリッチ燃焼モード運転の繰り返しの制御を、所定の時間間隔で行うだけで、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ吸蔵能力の回復作業を適切に行うことができる。
【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装置の構成を示す図であり、（ａ）は酸化触媒とフィルタを有する連続再生ＤＰＦ装置（ＣＲＴ）を備えた排気ガス浄化装置の構成図で、（ｂ）は触媒付フィルタを有する連続再生ＤＰＦ装置（ＣＳＦ）を備えた排気ガス浄化装置の構成図である。
【図２】本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化装置の再生制御方法を示すフロー図である。
【図３】連続再生ＤＰＦ装置（ＣＲＴ）の構成図である。
【図４】連続再生ＤＰＦ装置（ＣＲＴ）のＰＭ燃焼のメカニズムを説明するための図である。
【図５】連続再生ＤＰＦ装置（ＣＳＦ）の構成図である。
【図６】連続再生ＤＰＦ装置（ＣＳＦ）のＰＭ燃焼のメカニズムを説明するための図である。
【図７】窒素酸化物吸蔵還元型触媒の触媒構造体を示す図である。
【図８】図７のＡ部分の拡大模式図である。
【図９】窒素酸化物吸蔵還元型触媒の排気ガス中のＮＯｘを浄化するメカニズムを示す模式図であり、（ａ）は希薄（リーン）燃焼状態でＮＯｘを吸蔵する場合を、（ｂ）はリッチ燃焼状態でＮＯｘを放出及び還元浄化する場合を示す。
【符号の説明】
Ｅ エンジン
２ 排気通路
３，３Ａ 連続再生型ディーゼルパティキュレートフィルタ装置
３ａ 酸化触媒
３ｂ，３Ａｂ フィルタ（触媒付フィルタ）
４ 窒素酸化物吸蔵還元型触媒
４ａ 窒素酸化物吸蔵物質
４ｂ 酸化触媒
１０，１０Ａ 排気ガス浄化装置
５１ 再生制御手段
Claims (4)
- ディーゼルエンジンの排気通路に設けられ、酸化触媒とフィルタを有する連続再生型ディーゼルパティキュレートフィルタ装置、又は、触媒を担持したフィルタを有する連続再生型ディーゼルパティキュレートフィルタ装置を備えて排気ガス中の粒子状物質を捕集する排気ガス浄化装置において、前記フィルタの下流側に、窒素酸化物吸蔵物質と酸化触媒を含む窒素酸化物吸蔵還元型触媒を配設すると共に、前記フィルタに捕集された粒子状物質を燃焼除去する前記フィルタの再生操作と前記窒素酸化物吸蔵還元型触媒における窒素酸化物吸蔵能力の回復操作を制御する再生制御手段を備え、該再生制御手段が、前記フィルタの再生操作を行う場合においてのみ、前記ディーゼルエンジンの燃焼状態を一時的にリッチ燃焼モード運転に切替えて略無酸素状態の高温の排気ガスを発生させ、この排気ガスによって前記窒素酸化物吸蔵物質に吸蔵された窒素酸化物を放出させるとともに、放出させた窒素酸化物をこの略無酸素状態における前記窒素酸化物吸蔵還元型触媒の酸化触媒を用いて還元させて前記排気通路から排出させて前記窒素酸化物吸蔵還元型触媒の窒素酸化物吸蔵能力を回復させることを特徴とする排気ガス浄化装置。
- 前記再生制御手段が、前記一時的なリッチ燃焼モード運転を行ってから、前記フィルタの再生操作に入ることを特徴とする請求項１記載の排気ガス浄化装置。
- ディーゼルエンジンの排気通路に設けられ、酸化触媒とフィルタを有する連続再生型ディーゼルパティキュレートフィルタ装置、又は、触媒を担持したフィルタを有する連続再生型ディーゼルパティキュレートフィルタ装置を備えると共に、前記フィルタの下流側に、窒素酸化物吸蔵物質と酸化触媒を含む窒素酸化物吸蔵還元型触媒を配設して排気ガス中の粒子状物質を捕集する排気ガス浄化装置の再生制御方法において、前記フィルタに捕集された粒子状物質を燃焼除去する前記フィルタの再生操作と前記窒素酸化物吸蔵還元型触媒における窒素酸化物吸蔵能力の回復操作を制御する再生制御手段を備え、該再生制御手段が、前記フィルタの再生操作に際してのみ、前記ディーゼルエンジンの燃焼状態を一時的にリッチ燃焼モード運転に切替え、略無酸素状態の高温の排気ガスを発生させて、この排気ガスによって前記窒素酸化物吸蔵物質に吸蔵された窒素酸化物を放出させるとともに、放出させた窒素酸化物をこの略無酸素状態における前記窒素酸化物吸蔵還元型触媒の酸化触媒を用いて還元させて前記排気通路から排出させ、前記窒素酸化物吸蔵還元型触媒の窒素酸化物吸蔵能力を回復させることを特徴とする排気ガス浄化装置の再生制御方法。
- 前記再生制御手段が、前記一時的なリッチ燃焼モード運転を行ってから、前記フィルタの再生操作に入ることを特徴とする請求項３記載の排気ガス浄化装置の再生制御方法。
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