JP4233441B2

JP4233441B2 - パティキュレートフィルタの再生方法

Info

Publication number: JP4233441B2
Application number: JP2003411563A
Authority: JP
Inventors: 博舟橋
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2003-12-10
Filing date: 2003-12-10
Publication date: 2009-03-04
Anticipated expiration: 2023-12-10
Also published as: JP2005171841A

Description

本発明は、パティキュレートフィルタの再生方法に関するものである。

ディーゼルエンジンから排出されるパティキュレート（Particulate Matter：粒子状物質）は、炭素質から成る煤と、高沸点炭化水素成分から成るＳＯＦ分（Soluble Organic Fraction：可溶性有機成分）とを主成分とし、更に微量のサルフェート（ミスト状硫酸成分）を含んだ組成を成すものであるが、この種のパティキュレートの低減対策としては、排出ガスが流通する排気管の途中に、パティキュレートフィルタを装備することが従来より行われている。

この種のパティキュレートフィルタは、コージェライト等のセラミックから成る多孔質のハニカム構造となっており、格子状に区画された各流路の入口が交互に目封じされ、入口が目封じされていない流路については、その出口が目封じされるようになっており、各流路を区画する多孔質薄壁を透過した排出ガスのみが下流側へ排出されるようにしてある。

そして、排出ガス中のパティキュレートは、前記多孔質薄壁の内側表面に捕集されて堆積するので、目詰まりにより排気抵抗が増加しないうちにパティキュレートを適宜に燃焼除去してパティキュレートフィルタの再生を図る必要があるが、通常のディーゼルエンジンの運転状態においては、パティキュレートが自己燃焼するほどの高い排気温度が得られる機会が少ない為、例えばアルミナに白金を担持させたものに適宜な量のセリウム等の希土類元素を添加して成る酸化触媒を一体的に担持させた触媒再生型のパティキュレートフィルタの実用化が進められている。

即ち、このような触媒再生型のパティキュレートフィルタを採用すれば、捕集されたパティキュレートの酸化反応が促進されて着火温度が低下し、従来より低い排気温度でもパティキュレートを燃焼除去することが可能となるのである。

ただし、斯かる触媒再生型のパティキュレートフィルタを採用した場合であっても、排気温度の低い運転領域では、パティキュレートの処理量よりも捕集量が上まわってしまうので、このような低い排気温度での運転状態が続くと、パティキュレートフィルタの再生が良好に進まずに該パティキュレートフィルタが過捕集状態に陥る虞れがあり、パティキュレートの堆積量が増加してきた段階でパティキュレートフィルタより上流側の排出ガス中にＨＣ（炭化水素）を添加してパティキュレートフィルタの強制再生を行うことが考えられている。

つまり、パティキュレートフィルタより上流側でＨＣを添加すれば、その添加されたＨＣがパティキュレートフィルタの酸化触媒上で酸化反応し、その反応熱によりフィルタ床温度が上げられてパティキュレートが燃やし尽くされ、パティキュレートフィルタの再生化が図られることになる。

尚、この種のパティキュレートフィルタの積極的な強制再生を図る方法に関しては、下記の特許文献１や特許文献２にも取り上げられており、これらの文献中の説明では、エンジンの燃料噴射装置に対し圧縮上死点付近で行われる燃料のメイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い非着火のタイミングでポスト噴射を行うことでＨＣ添加を実行するようにしている。
特開２００３−８３１３９号公報特開２００３−１５５９１３号公報

しかしながら、従来においては、フィルタ床温度を捕集済みパティキュレートの自己燃焼温度（約６００℃程度）まで上昇させるのに必要な量のＨＣ添加を、圧縮上死点より遅い非着火のタイミング（排気弁開より前５〜２０°）でポスト噴射して最初から実行し、これ以降はフィルタ床温度を自己燃焼温度に保持するべく初期のＨＣ添加量より少し減らした量でポスト噴射によるＨＣ添加を継続してパティキュレートフィルタを強制再生するようにしているが、最初からパティキュレートの自己燃焼温度まで上昇させるのに必要な量のＨＣ添加をポスト噴射により実行してしまうと、パティキュレートフィルタの酸化触媒上で処理しきれないＨＣミストが多孔質薄壁を通り抜けて該多孔質薄壁の裏面（背面）で酸化することで炭化物（煤）として残り（多孔質薄壁の裏面には酸化触媒が担持されていないため酸化反応が起こり難い）、これが何回も強制再生を繰り返すうちに多孔質薄壁の裏面に多量の煤付着を生じ、何回目かの強制再生時に多孔質薄壁の表裏で同時に煤燃焼を起こす結果、この表裏同時の煤燃焼による過熱でパティキュレートフィルタに触媒劣化を招く虞れがあった。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、パティキュレートフィルタの多孔質薄壁の表裏で同時に煤燃焼が起きる現象を未然に回避し、パティキュレートフィルタに触媒劣化を招く虞れを解消することを目的としている。

本発明は、排気管途中に装備した触媒再生型のパティキュレートフィルタより上流側で排出ガス中にＨＣを添加し、その添加ＨＣが触媒上で酸化反応した時の反応熱により捕集済みパティキュレートを燃焼させてパティキュレートフィルタの強制再生を図る方法において、圧縮上死点付近で行われる燃料のメイン噴射に続いて排気弁開より前２５〜５０゜のタイミングでポスト噴射を行うことでＨＣ添加を実行すると共に、フィルタ床温度を検出する温度センサの検出温度が４００℃程度に達するまで時間をかけて温度が上昇してくるのを待ち、温度センサの検出温度が４００℃程度になったら、徐変制御をかけつつポスト噴射の噴射量を増やして６００℃程度の自己燃焼温度まで昇温させることを特徴とするものである。

而して、このように排気弁開より前２５〜５０゜の比較的早いタイミングでポスト噴射が行われると、該ポスト噴射により添加されたＨＣの多くが気筒内で着火し、これによりＨＣミストのガス化が促されてＨＣミストの少ない高温ＨＣガスが生成されるので、ＨＣミストのままパティキュレートフィルタに導かれる燃料分が大幅に低減される。

また、徐変制御によるＨＣ添加量の段階的な増加に伴い酸化反応熱でフィルタ床温度が徐々に上昇し、このフィルタ床温度の上昇に追従してパティキュレートフィルタの酸化触媒上での処理能力も向上していくので、パティキュレートフィルタの酸化触媒上での処理能力を超えた過剰な量のＨＣ添加が回避され、パティキュレートフィルタの酸化触媒上で処理しきれないＨＣミストが極めて少なくなる。

この結果、ＨＣミストがパティキュレートフィルタの多孔質薄壁の裏面に通り抜けて炭化残留する現象が大幅に抑制され、強制再生を繰り返すうちに多孔質薄壁の裏面に多量の煤付着が生じる虞れがなくなるので、パティキュレートフィルタの多孔質薄壁の表裏で同時に煤燃焼が起きる現象が未然に回避されることになる。

しかも、ＨＣ添加の徐変制御によりフィルタ床温度が徐々に上昇していくことでパティキュレートが自然延焼する温度帯（パティキュレートの自己燃焼温度より低い触媒活性温度以上の温度）が従来より長く保持される結果、パティキュレートが適度に自然延焼されて前回強制再生後からのパティキュレートの堆積量が減少し、その少なくなった残りのパティキュレートが自己燃焼温度で一気に燃やし尽くされることになる。

即ち、このようにパティキュレートを自然延焼させて減らしてから自己燃焼温度まで上げて燃やし尽くすようにすれば、従来のように最初からパティキュレートの自己燃焼温度まで上昇させて一気に焼却させようとした場合よりも最大燃焼温度を抑制することが可能となる。

また、本発明においては、ＨＣ添加によりフィルタ床温度をパティキュレートの自己燃焼温度まで昇温させて焼却する最終段階でＨＣ添加量を更に増やし、フィルタ床温度を約６５０℃付近まで昇温させることが好ましく、このようにすれば、ＣａＳＯ₄やＡｌ₂Ｏ₃等の無機物、或いは、ＺｎやＡｌ等の金属片を核とする難燃性煤まで燃やし尽くすことが可能となる。

上記した本発明のパティキュレートフィルタの再生方法によれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。

（Ｉ）本発明の請求項１に記載の発明によれば、パティキュレートフィルタの多孔質薄壁の表裏で同時に煤燃焼が起きる現象を未然に回避することができ、しかも、強制再生時の最大燃焼温度を従来より抑制することもできるので、パティキュレートフィルタに触媒劣化を招く虞れを解消することができる。

（ＩＩ）本発明の請求項２に記載の発明によれば、ＣａＳＯ₄やＡｌ₂Ｏ₃等の無機物、或いは、ＺｎやＡｌ等の金属片を核とする難燃性煤まで燃やし尽くすことができ、この種の難燃性煤の燃え残りを核として次回強制再生時までに多量の煤付着が生じる虞れを未然に回避することができる。

以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１〜図４は本発明を実施する形態の一例を示すもので、本形態例のパティキュレートフィルタの再生方法においては、図１に示す如く、自動車のディーゼルエンジン１から排気マニホールド２を介して排出された排出ガス３が流通している排気管４のマフラ５内に、酸化触媒を一体的に担持して成る触媒再生型のパティキュレートフィルタ６を収容させた場合（パティキュレートフィルタ６の前段に酸化触媒が別途配置することも可）を例示しており、該パティキュレートフィルタ６を抱持するフィルタケース７がマフラ５の外筒を成すようになっている。

即ち、このフィルタケース７の内部には、図２に拡大して示す如きパティキュレートフィルタ６が収容されており、このパティキュレートフィルタ６は、セラミックから成る多孔質のハニカム構造となっており、格子状に区画された各流路６ａの入口が交互に目封じされ、入口が目封じされていない流路６ａについては、その出口が目封じされるようになっており、各流路６ａを区画する多孔質薄壁６ｂを透過した排出ガス３のみが下流側へ排出されるようにしてある。

そして、ここに図示している例では、フィルタケース７の出口側に温度センサ８が装備され、該温度センサ８の検出信号８ａがエンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を成す制御装置９に対し入力されるようになっており、この制御装置９においては、温度センサ８の検出値をフィルタ床温度の代用値として、以下に詳述する如きパティキュレートフィルタ６の強制再生におけるＨＣ添加制御に利用するようにしてある。

また、この制御装置９は、エンジン制御コンピュータを兼ねていることから燃料の噴射に関する制御も担うようになっており、より具体的には、アクセル開度をディーゼルエンジン１の負荷として検出するアクセルセンサ１１（負荷センサ）からのアクセル開度信号１１ａと、ディーゼルエンジン１の機関回転数を検出する回転センサ１２からの回転数信号１２ａとに基づき、ディーゼルエンジン１の各気筒に燃料を噴射する燃料噴射装置１０に向け燃料噴射信号１０ａが出力されるようになっている。

ここで、前記燃料噴射装置１０は、各気筒毎に装備される複数のインジェクタにより構成されており、これら各インジェクタの電磁弁が前記燃料噴射信号１０ａにより適宜に開弁制御されて燃料の噴射タイミング及び噴射量が適切に制御されるようになっている。

他方、前記制御装置９では、アクセル開度信号１１ａ及び回転数信号１２ａに基づき通常モードの燃料噴射信号１０ａが決定されるようになっている一方、パティキュレートフィルタ６の強制再生を行う必要が生じた際に、通常モードから再生モードに切り替わり、圧縮上死点（クランク角０゜）付近で行われる燃料のメイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い適宜なタイミングでポスト噴射を行うような噴射パターンの燃料噴射信号１０ａが決定されるようになっている。

つまり、このようにメイン噴射に続いて圧縮上死点より遅いタイミングでポスト噴射が行われると、このポスト噴射により排出ガス３中に未燃の燃料（主としてＨＣ：炭化水素）が添加されることになり、この未燃の燃料が添加ＨＣとしてパティキュレートフィルタ６表面の酸化触媒上で酸化反応し、その反応熱により触媒床温度が上昇してパティキュレートフィルタ６内のパティキュレートが燃焼除去されることになる。

ただし、本形態例においては、図３に示す如く、圧縮上死点付近で行われる燃料のメイン噴射に続いて排気弁開より前２５〜５０゜のタイミング（従来のポスト噴射は図３中に鎖線で示す排気弁開より前５〜２５゜のタイミング）でポスト噴射を行うことでＨＣ添加を実行するようにしており、しかも、図４に示す如く、そのポスト噴射による燃料噴射量（ＨＣ添加量）が徐々に増加して目標値に達するようにＨＣ添加が徐変制御されるようにしてある。

また、ＨＣ添加によりフィルタ床温度をパティキュレートの自己燃焼温度まで昇温させて焼却する最終段階でＨＣ添加量を更に増やし、フィルタ床温度を約６５０℃付近まで昇温させるようにもなっている。

更に、再生モードに切り替わった際に、パティキュレートを自然延焼させるための温度条件に満たない場合には、制御装置９からの燃料噴射信号１０ａにより、燃料噴射装置１０にメイン噴射直後の燃焼可能なタイミングでアフタ噴射を実行させ、更に昇温が必要な場合は、制御装置９からの開度指令信号１３ａにより、パティキュレートフィルタ６の上流側にある排気ブレーキ１３を排気絞り手段として絞り込ませるようにしてある。

而して、パティキュレートフィルタ６の強制再生が必要となった際に、制御装置９が通常モードから再生モードに切り替わると、パティキュレートを自然延焼させるための温度条件（約３５０〜５８０℃）に満たない所定温度（約２４０℃程度）までは、燃料噴射装置１０によるアフタ噴射が実行され、アフタ噴射による燃料が出力に転換され難いタイミングで燃焼することでディーゼルエンジン１の熱効率が下がり、燃料の発熱量のうちの動力に利用されない熱量が増えて排気温度の上昇が図られる。

また、このアフタ噴射の実行に対応して排気ブレーキ１３も絞り込まれる結果、これより上流側の排出ガス３が昇圧されることで排気温度が上昇され、しかも、排気抵抗が高まることにより気筒内に比較的温度の低い吸気が流入し難くなって比較的温度の高い排出ガス３の残留量が増加し、この比較的温度の高い排出ガス３を多く含む気筒内の空気が次の圧縮行程で圧縮されて爆発行程を迎えることでも更なる排気温度の上昇が図られる。

そして、これらのアフタ噴射及び排気絞りにより排出ガス３が所定温度まで昇温したら、排気弁開より前２５〜５０゜の比較的早いタイミングでポスト噴射が開始されるが、その開始当初にあっては、比較的少ない噴射量を維持し続けて温度センサ８による検出温度（フィルタ床温度の代用値）が約４００℃程度まで時間をかけて上昇してくるのを待ち、温度センサ８の検出温度が約４００℃程度になったら、徐変制御をかけつつポスト噴射の噴射量を増やして約６００℃程度の自己燃焼温度まで昇温させ、しかも、この自己燃焼温度まで昇温させて焼却する最終段階において、ＨＣ添加量を更に増やしてフィルタ床温度を約６５０℃付近まで昇温させるようＨＣ添加制御が制御装置９により実行される。

ここで、排気弁開より前２５〜５０゜の比較的早いタイミングでポスト噴射が行われると、該ポスト噴射により添加されたＨＣの多くが気筒内で着火し、これによりＨＣミストのガス化が促されてＨＣミストの少ない高温ＨＣガスが生成され、ＨＣミストのままパティキュレートフィルタ６に導かれる燃料分が大幅に低減されることになる。

また、徐変制御によるＨＣ添加量の段階的な増加に伴い酸化反応熱でフィルタ床温度が徐々に上昇し、このフィルタ床温度の上昇に追従してパティキュレートフィルタ６の酸化触媒上での処理能力も向上していくので、パティキュレートフィルタ６の酸化触媒上での処理能力を超えた過剰な量のＨＣ添加が回避され、パティキュレートフィルタ６の酸化触媒上で処理しきれないＨＣミストが極めて少なくなる。

この結果、ＨＣミストがパティキュレートフィルタ６の多孔質薄壁６ｂの裏面に通り抜けて炭化残留する現象が大幅に抑制され、強制再生を繰り返すうちに多孔質薄壁６ｂの裏面に多量の煤付着が生じる虞れがなくなるので、パティキュレートフィルタ６の多孔質薄壁６ｂの表裏で同時に煤燃焼が起きる現象が未然に回避されることになる。

しかも、ＨＣ添加の徐変制御によりフィルタ床温度が徐々に上昇していくことでパティキュレートが自然延焼する温度帯（パティキュレートの自己燃焼温度より低い触媒活性温度以上の温度：約３５０〜５８０℃）が従来より長く保持される結果、パティキュレートが適度に自然延焼されて前回強制再生後からのパティキュレートの堆積量が減少し、その少なくなった残りのパティキュレートが約６００℃程度の自己燃焼温度で一気に燃やし尽くされることになる。

即ち、このようにパティキュレートを自然延焼させて減らしてから自己燃焼温度まで上げて燃やし尽くすようにすれば、従来のように最初からパティキュレートの自己燃焼温度まで上昇させて一気に焼却させようとした場合よりも最大燃焼温度が抑制されることになる。

また、特に本形態例では、ＨＣ添加によりフィルタ床温度をパティキュレートの自己燃焼温度まで昇温させて焼却する最終段階でＨＣ添加量を更に増やし、フィルタ床温度を約６５０℃付近まで昇温させるようにしているので、ＣａＳＯ₄やＡｌ₂Ｏ₃等の無機物、或いは、ＺｎやＡｌ等の金属片を核とする難燃性煤まで燃やし尽くすことが可能となる。

従って、上記形態例によれば、パティキュレートフィルタ６の多孔質薄壁６ｂの表裏で同時に煤燃焼が起きる現象を未然に回避することができ、しかも、強制再生時の最大燃焼温度を従来より抑制することもできるので、パティキュレートフィルタ６に触媒劣化を招く虞れを解消することができる。

また、ＣａＳＯ₄やＡｌ₂Ｏ₃等の無機物、或いは、ＺｎやＡｌ等の金属片を核とする難燃性煤まで燃やし尽くすことができ、この種の難燃性煤の燃え残りを核として次回強制再生時までに多量の煤付着が生じる虞れを未然に回避することができる。

尚、本発明のパティキュレートフィルタの再生方法は、上述の形態例にのみ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内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。図１のパティキュレートフィルタの詳細を示す断面図である。本発明のポスト噴射のタイミングを説明するグラフである。本発明のポスト噴射による燃料添加制御を示すグラフである。

符号の説明

１ディーゼルエンジン
３排出ガス
４排気管
６パティキュレートフィルタ
６ａ流路
６ｂ多孔質薄壁
８温度センサ
８ａ検出信号
９制御装置
１０燃料噴射装置
１０ａ燃料噴射信号

Claims

排気管途中に装備した触媒再生型のパティキュレートフィルタより上流側で排出ガス中にＨＣを添加し、その添加ＨＣが触媒上で酸化反応した時の反応熱により捕集済みパティキュレートを燃焼させてパティキュレートフィルタの強制再生を図る方法において、圧縮上死点付近で行われる燃料のメイン噴射に続いて排気弁開より前２５〜５０゜のタイミングでポスト噴射を行うことでＨＣ添加を実行すると共に、フィルタ床温度を検出する温度センサの検出温度が４００℃程度に達するまで時間をかけて温度が上昇してくるのを待ち、温度センサの検出温度が４００℃程度になったら、徐変制御をかけつつポスト噴射の噴射量を増やして６００℃程度の自己燃焼温度まで昇温させることを特徴とするパティキュレートフィルタの再生方法。
ＨＣ添加によりフィルタ床温度をパティキュレートの自己燃焼温度まで昇温させて焼却する最終段階でＨＣ添加量を更に増やし、フィルタ床温度を約６５０℃付近まで昇温させることを特徴とする請求項１に記載のパティキュレートフィルタの再生方法。