JP4285501B2 - ディーゼル機関の排気浄化方法 - Google Patents

Description

本発明は、ディーゼル機関の排気浄化方法に関し、詳細には排気中に含まれる煤と窒素酸化物との両方を除去可能な排気浄化方法に関する。

ディーゼルエンジンの排気中の煤を除去する方法の例としては、例えば特許文献１に記載されたものがある。
同公報の方法は、機関排気系に酸化触媒と、その下流側に排気微粒子捕集用のフィルタ（ディーゼルパティキュレートフィルタ、以下「ＤＰＦ」と称する）とを配置し、上流側の酸化触媒で排気中のＮＯ（一酸化窒素）を酸化してＮＯ₂（二酸化窒素）を生成し、下流側のＤＰＦで排気中の煤を捕集するとともに、この捕集された煤を酸化触媒で生成したＮＯ₂を用いて燃焼させることにより、ＤＰＦ上の煤を除去している。

従来、ＤＰＦ上の煤を通常の方法で燃焼させるためには、かなりの高温が必要とされていた。これに対して、上記公報の方法ではＮＯ₂と煤とを反応させることにより、ディーゼルエンジンの通常の排気温度（例えば３００℃以下）で煤の燃焼を生じさせることが可能となる。このため、煤の燃焼用に特別な加熱手段等を設ける必要がなく、簡易な装置で排気中の煤を除去することが可能となる。

特開平１−３１８７１５号公報 特開平６−３１７１４３号公報 特開平６−１１７２２０号公報

ところが、上記公報の方法では、排気中の煤を簡易に除去することはできるものの、排気中の窒素酸化物の大気放出を防止し得ないという問題がある。
すなわち、ＮＯ₂は煤を構成するカーボンと、
ＮＯ₂＋Ｃ→ＮＯ＋ＣＯ、及び２ＮＯ₂＋２Ｃ→Ｎ₂＋２ＣＯ₂
の反応を生じて煤を燃焼させる。しかし、本出願人の研究によれば、ディーゼルエンジンの通常の排気程度の比較的低い温度領域では、上記２ＮＯ₂＋２Ｃ→Ｎ₂＋２ＣＯ₂の反応はほとんど生じず、ＤＰＦに流入する排気中のＮＯ₂の大部分はＮＯ₂＋Ｃ→ＮＯ＋ＣＯの反応によりＮＯに転換されてしまうことが判明している。このため、上記公報の方法で排気中の煤を処理するとＮＯが排気とともに大気に放出されてしまう問題が生じる。

また、ディーゼル燃料は比較的多量の硫黄分を含んでいるが、この燃料中の硫黄はエンジンで燃焼して排気中にＳＯ₂成分を生成する。ところが、上記公報のように、酸化触媒を用いて排気中のＮＯをＮＯ₂に酸化していると排気中のＳＯ₂成分も同時に酸化されて排気中にＳＯ₃（サルフェート）が生成されてしまう問題がある。

排気中のサルフェートは、ＤＰＦには捕集されずそのままＤＰＦ下流側に流出し、ディーゼル排気微粒子（ディーゼルパティキュレート）として検出される。このため、上記特許文献１の方法では、酸化触媒で生成されたサルフェートのためにＤＰＦを通過する排気中のパティキュレートの量が増大してしまう問題が生じる。

本発明は、上記問題を解決しＮＯやパティキュレートの大気放出量の増大を生じることなく、ＤＰＦに捕集された煤を簡易に処理する方法を提供することを目的としている。

請求項１に記載の発明によれば、ディーゼル機関の排気浄化方法であって、機関排気中の一酸化窒素を酸化して排気中に二酸化窒素を生成する工程と、機関排気中の煤をパティキュレートフィルタを用いて捕集する工程と、生成された排気中の二酸化窒素とパティキュレートフィルタに捕集した煤とを反応させることにより煤を燃焼させるパティキュレートフィルタの再生操作時に、排気空燃比をリーン空燃比に維持したまま排気温度を上昇させ、排気中に一酸化窒素を生成する工程と、上記排気中に生成された一酸化窒素を、流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯ_Xを吸収し、排気中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯ_Xを放出するＮＯ_X吸収剤を用いて排気から除去する工程と、を備えたディーゼル機関の排気浄化方法が提供される。

再生操作実行時に排気温度を上昇させることにより、パティキュレートフィルタに捕集された煤は、排気中の二酸化窒素と反応しやすくなりパティキュレートフィルタで効率的に燃焼し除去される。また、煤と二酸化窒素との反応により二酸化炭素と一酸化窒素とが生成するが、本発明では、生成された一酸化窒素は、その後の工程で排気から除去されるため二酸化窒素の大気への放出が生じない。
請求項２に記載の発明によれば、前記再生操作時に、更にリーン空燃比を維持したままで排気空燃比を低下させる、請求項１に記載の排気浄化方法が提供される。
すなわち、請求項２に記載の発明ではパティキュレートフィルタの生成操作時に排気空燃比がリーン空燃比の範囲内で低下（リッチ空燃比方向に変化）させられる。空燃比が低下すると排気中に含まれる未燃燃料やＨＣ、ＣＯ成分の量が増大する。この場合、酸化触媒などにより排気中の一酸化窒素酸化して排気中に二酸化窒素を生成している場合には、酸化触媒で未燃燃料やＨＣ、ＣＯ成分が燃焼するため排気温度が上昇し、効率的にパティキュレートフィルタ上で煤と二酸化窒素とを反応させることができるようになる。

請求項３に記載の発明によれば、前記再生操作中に、前記ＮＯ_X吸収剤から吸収したＮＯ_Xを放出させるべきときには排気空燃比を更に低下させてリッチ空燃比にする請求項１または２に記載の排気浄化方法が提供される。
すなわち、請求項３に記載の発明では、再生操作中に排気空燃比をリッチ空燃比にしてＮＯ_X吸収剤から吸収したＮＯ_Xを放出させることにより、ＮＯ_X吸収剤には高温かつリッチな排気が流入するようになるため、ＮＯ_X吸収剤から吸収したＮＯ_XのみならずＳＯ_Xをも放出させることができる。これにより、本発明ではＮＯ_X吸収剤が吸収したＳＯ_Xで飽和してしまうことを効果的に防止することができる。

各請求項にに記載の発明によれば、ディーゼルエンジン排気中のＮＯをＮＯ₂に転換し、次いで排気温度を上昇させた状態で、捕集した排気中の煤とＮＯ₂とを反応させて煤を燃焼するとともに、この燃焼により生じたＮＯを排気から除去するようにしたことにより、ＮＯ_Xやパティキュレートの大気放出を防止しながら排気中の煤を効果的に除去することが可能となるという共通の効果を奏する。

以下添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の排気浄化方法を実施するための装置の構成を示す図である。図１において、１はディーゼルエンジン（図には１気筒のみの断面を示す）、２はエンジン１の吸気通路、３は排気通路、４はエンジン１の燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射弁をそれぞれ示している。

また、本実施形態では、吸気通路２には、吸気絞り弁６が設けられている。吸気絞り弁６は、バタフライ弁等の開弁時に吸気抵抗の少ない形式とされ、後述のパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）の煤燃焼時に吸気通路２を絞り、エンジン１に供給される吸気量を減少させる。このように、吸気絞り弁６を設けて、エンジン１の吸入空気量を減少させることにより、エンジン排気温度を上昇させることができるためＤＰＦ上の煤の燃焼が容易になる。６ａはＥＣＵ２０からの制御信号により吸気絞り弁６を開閉駆動する、負圧アクチュエータ、ソレノイドなどの適宜な形式のアクチュエータである。

また、図１に示すように本実施形態では、エンジン１の排気通路３には上流側から、排気中のＮＯを酸化してＮＯ₂を生成する酸化触媒５、排気中の煤を捕集するＤＰＦ７、排気中のＮＯ_Xを吸収するＮＯ_X吸収剤９がそれぞれ配置されている。これらの要素については後に説明する。
図１に２０で示すのはエンジン制御回路（ＥＣＵ）２０である。ＥＣＵ２０は、中央処理装置（ＣＰＵ）２１、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）２２、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）２３、入力ポート２４、出力ポート２５を互いに双方向性バス２６で接続した公知の構成のディジタルコンピュータからなり、エンジン１の燃料噴射制御などの基本制御を行うほか、本実施形態ではＤＰＦ７で捕集した煤の燃焼（以下「ＤＰＦの再生」という）とＮＯ_X吸収剤９の再生操作を制御している。これらの制御のために、ＥＣＵ２０の入力ポート２４には、エンジン回転数、アクセル開度等の信号が、それぞれ図示しないセンサから入力されている。

また、ＥＣＵ２０の出力ポート２５は図示しない駆動回路を介して、エンジン１の燃料噴射弁４と吸気絞り弁６のアクチュエータ６ａにそれぞれ接続され、エンジンの燃料噴射量及び噴射時期、ＤＰＦの再生操作時の吸気絞り弁６の作動をそれぞれ制御している。
酸化触媒５は、例えばコージェライト製のモノリス担体にアルミナの触媒担持層をコーティングにより形成し、この担持層に白金Ｐｔ、パラジウムＰｄ等の触媒成分を担持させたものが使用される。酸化触媒５は、排気空燃比が理論空燃比よりリーンのときに排気中のＨＣ、ＣＯ成分を酸化するとともに、排気中に含まれるＮＯ成分を酸化してＮＯ₂成分を生成する。なお、本明細書では排気系のある部分より上流側に供給された空気量と燃料量との比を、その部分における排気空燃比と称する。すなわち、排気通路に二次空気や燃料が供給されていない場合には、排気系の各部分における排気空燃比は機関の燃焼空燃比（燃焼室内の燃焼における空気と燃料との比）に等しくなる。

また、本実施形態では、酸化触媒５の上流側端面には、排気温度が低いエンジン始動直後の状態等で酸化触媒５を加熱して触媒反応を開始させるための電気ヒータ５ａが設けられている。電気ヒータ５ａのリレー（図示せず）にはＥＣＵ２０の出力ポート２５からの制御信号が入力されており、ＥＣＵ２０により電気ヒータ５ａのＯＮ、ＯＦＦが制御される。後述するように、このヒータ５ａは吸気絞り弁６とともに、ＤＰＦ７再生時に排気温度を上昇させるためにも使用される。

また、ＤＰＦ７は多数の排気通路が互いに平行に形成されたコージェライト製のハニカムフィルタが使用される。ＤＰＦ７内の排気通路は、上流側端部と下流側端部とが閉鎖されたものが交互に配列されており、排気は上流側端部が開放された排気通路内に流入し、排気通路間を隔てる多孔質の壁面から下流側端部が開放された排気通路に流入して下流側に流出する。このため、壁面通過時に排気中の煤等の微粒子が排気壁面に捕集される。また、本実施形態では捕集した煤の、ＮＯ₂による燃焼が容易に生じるようにするため、ＤＰＦ７の壁面には白金Ｐｔを担持させたアルミナ層が形成されている。

次に、本発明に使用するＮＯ_X吸収剤９について説明する。
ＮＯ_X吸収剤９としては、例えばコージェライト製のモノリス担体にアルミナ等の担持層を形成し、この担持層上に例えばカリウムＫ、ナトリウムＮa 、リチウムＬi 、セシウムＣs のようなアルカリ金属、バリウムＢa , カルシウムＣa のようなアルカリ土類、ランタンＬa 、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つと、白金Ｐt のような貴金属とを担持したものを使用する。ＮＯ_X吸収剤９は流入する排気の空燃比がリーンの場合にはＮＯ_Xを吸収し、酸素濃度が低下するとＮＯ_Xを放出するＮＯ_Xの吸放出作用を行う。

例えば、担持層上に白金Ｐｔ、バリウムＢａを担持させたものに例をとって説明すると、排気空燃比がリーンのときには、機関排気中のＮＯ_X（窒素酸化物）の大部分を占めるＮＯは、白金Ｐｔ上に付着したＯ₂-またはＯ^2-などにより酸化されて硝酸イオンＮＯ₃ ^-を生成する。次いで、この硝酸イオンＮＯ₃ ^-が酸化バリウムＢａＯと結合しながらＢａＯ内に拡散するため、排気中のＮＯは硝酸イオンＮＯ₃ ^-の形でＮＯ_X吸収剤９内に吸収される。また、排気空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比になると、流入排気中の酸素濃度が低下して白金Ｐｔ上でのＮＯ₂の生成量が減少する。これにより反応は上記とは逆にＮＯ₃ ^-→ＮＯ₂の方向に進み、ＢａＯ内の硝酸イオンＮＯ₃ ^-がＮＯ₂の形で放出される。すなわち、流入排気中の酸素濃度が低下するとＮＯ_X吸収剤９からＮＯ_Xが放出されることになる。

一方、流入排気中に還元剤や未燃ＨＣ、ＣＯ等の成分が存在すると、これらの成分は白金Ｐt 上の酸素Ｏ₂-またはＯ^2-と反応して酸化され、排気中の酸素を消費して排気中の酸素濃度を低下させる。また、排気中の酸素濃度低下によりＮＯ_X吸収剤９から放出されたＮＯ₂はＨＣ、ＣＯと反応して還元され、Ｎ₂、ＣＯ₂、Ｈ₂Ｏ等を生成する。従って、ＨＣ、ＣＯ成分により白金Ｐt の表面上でＮＯ₂が還元されると、吸収剤から次から次へとＮＯ₂が放出され、排気中のＨＣ、ＣＯ成分と反応するようになる。

すなわち、ＮＯ_X吸収剤９はリーン空燃比時に流入する排気中のＮＯ_Xを除去し、リッチ空燃比時には吸収したＮＯ_Xを放出するとともに、流入する排気中のＨＣ、ＣＯ成分と反応させる作用を行う。つまり、ＮＯ_X吸収剤は排気中のＨＣ、ＣＯ成分とＮＯ_X成分とを同時に浄化することができる。
次に、本実施形態の作用について説明する。

本実施形態では、ディーゼルエンジン１が使用されるため通常運転中の排気空燃比はかなりリーンになっている（例えば空燃比で３０程度）。また、エンジン出口での排気には少量のＮＯ_X（主にＮＯ）と比較的多量の煤が含まれている。 この排気は、まず酸化触媒５を通過し、排気中のＮＯが酸化され、
２ＮＯ＋Ｏ₂→２ＮＯ₂
の反応によりＮＯ₂が生成される。

次いで、この排気はＤＰＦ７に流入し、排気中の煤がＤＰＦに捕集される。ＤＰＦに捕集された煤は、一部が上記により生成されたＮＯ₂と反応し、
ＮＯ₂＋Ｃ→ＮＯ＋ＣＯ
の反応を生じＣＯとＮＯとが発生する。しかし、エンジンで発生するＮＯの量に較べて煤の量が多いこと、及びディーゼルエンジンの通常運転時の排気温度が低く（例えば２００℃程度）、実際には上記反応があまり生じないことから、ＤＰＦ７上には捕集された煤が徐々に蓄積される。一方、上記反応により生成したＮＯと、煤と反応せずにＤＰＦ７を通過したＮＯ₂とを含む排気は、次にＮＯ_X吸収剤９に流入する。通常運転時では、ディーゼルエンジン１の排気空燃比はリーンであるため、この排気中のＮＯ、ＮＯ₂はＮＯ_X吸収剤９に吸収され排気から除去される。これにより、通常運転時には排気は煤とＮＯ_Xとをほとんど含まない状態でＮＯ_X吸収剤９から排出される。

上述のように、通常運転時エンジン排気中の煤はＤＰＦ７により、ＮＯ_X（ＮＯ、ＮＯ₂）はＮＯ_X吸収剤９により、それぞれ除去されるが、これによりＤＰＦ７には煤が、また、ＮＯ_X吸収剤９にはＮＯ_Xが徐々に蓄積される。ＤＰＦ７に蓄積された煤の量が増大するとＤＰＦ７での排気圧損が上昇するため、排気背圧の増大によりエンジン出力の低下等の問題が生じる。また、ＮＯ_X吸収剤９に蓄積されたＮＯ_X量が増大するとＮＯ_X吸収剤９のＮＯ_X吸収能力は低下し、大気に放出されるＮＯ_Xの量が増大する問題が生じる。

そこで、本実施形態では定期的にＮＯ_X吸収剤９から吸収したＮＯ_Xを放出させ、ＮＯ_X吸収能力を回復させる操作（「ＮＯ_X吸収剤の再生操作」という）と、ＤＰＦ７に捕集された煤を燃焼させて圧損を低減させる操作（ＤＰＦの再生操作）とを行う。
まず、ＮＯ_X吸収剤９の再生操作について説明する。本実施形態では、運転中に、エンジン排気空燃比を短時間理論空燃比よりリッチ側にすることにより、ＮＯ_X吸収剤９の再生を行う。エンジン排気空燃比がリッチになると排気中の酸素濃度が急激に低下し、かつ排気中のＨＣ、ＣＯ成分の量が増大する。また、排気空燃比がリッチであるためこれらＨＣ、ＣＯ成分は酸化触媒５では酸化されず、その大部分が酸化触媒５とＤＰＦ７とを通過してＮＯ_X吸収剤９に到達する。このため、前述したようにＮＯ_X吸収剤９からはＮＯ_Xが放出され、排気中のＨＣ、ＣＯ成分により還元浄化される。

本実施形態では、ＥＣＵ２０はＮＯ_X吸収剤９再生時にエンジン１の燃料噴射弁４から各気筒の１サイクル当たり２回の燃料噴射を行うことによりエンジンの排気空燃比を理論空燃比よりリッチ側に制御する。通常運転中、各気筒からの燃料噴射量ＴＡＵは機関負荷に応じて設定されている。例えば、通常運転時、ＥＣＵ２０は機関アクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）と機関回転数とから、予め定めた関係に基づいて燃料噴射量を算出し、算出した量の燃料を燃料噴射弁４から各気筒の圧縮行程後期に気筒内に噴射する。通常時には、この燃料噴射により機関空燃比は大幅なリーン（例えば空燃比で３０程度）に維持されている。エンジン排気空燃比をリッチにするためには、この圧縮行程後期の燃料噴射量を増量することも考えられる。しかし、圧縮行程後期に気筒内に噴射する燃料量を増大すると、燃料の増量分だけエンジン出力トルクが上昇してしまい、トルクの急増によるショックや爆発力の増大によるエンジン耐久性の低下等の問題が生じる。

このため、本実施形態では、排気空燃比をリッチに移行させる場合には通常の圧縮行程後期燃料噴射に加えて、各気筒の排気行程に再度燃料噴射弁４から燃料噴射を行うようにしている。排気行程中に気筒内に噴射された燃料は、その一部は気筒内で燃焼するものの機関の出力増大には寄与しない。また、燃焼しなかった大部分の燃料は気筒内で気化して排気とともに排気通路に排出され、酸化触媒５で酸化され、多量のＨＣ、ＣＯ成分を発生する。このため、ＮＯ_X吸収剤９には酸素濃度が低く、多量のＨＣ、ＣＯ成分を含む排気が流入することになり、短時間でＮＯ_X吸収剤９の再生が完了する。

なお、ＮＯ_X吸収剤９からのＮＯ_X放出速度は排気空燃比がリッチであるほど大きくなる。このため、排気空燃比のリッチの程度が大きいほど（排気空燃比を低くするほど）ＮＯ_X吸収剤９の再生を短時間で完了させることができる。また、再生操作はＮＯ_X吸収剤９に吸収されたＮＯ_X量が少ないほど短時間で完了する。本実施形態では、エンジン運転中にＮＯ_X吸収剤９の再生操作を数十秒から数分程度の間隔で行い、ＮＯ_X吸収剤９再生時には０．５秒程度の時間排気空燃比を１３程度のリッチ空燃比に維持するようにしている。

次に、ＤＰＦ７の再生操作について説明する。本実施形態では前述したように排気中のＮＯ₂とＤＰＦに堆積した煤（カーボン）とを反応させて煤を燃焼させる。また、このときに発生するＮＯ成分をＤＰＦ７下流側のＮＯ_X吸収剤９に吸収させて大気への放出を防止する必要がある。このため、ＤＰＦ７の再生時には、排気空燃比がリーンとなっていることが必要となる。また、ＮＯ₂と煤との反応を促進するためには、排気温度は高い方が好ましい。そこで、本実施形態では排気空燃比がリッチにならない範囲で、ＮＯ_X吸収剤９の再生時と同様、通常の圧縮行程後期の噴射に加えて排気行程での燃料噴射を行い、この燃料を酸化触媒５で燃焼させることにより排気温度を上昇させる。また、排気温度を上昇させるため、ＤＰＦ７再生時には吸気通路２の吸気絞り弁６を一定開度まで閉弁し、吸入空気量を低減するとともに、必要に応じて酸化触媒５の電気ヒータ５ａに通電を行う。吸気絞りにより、機関排気温度が上昇し、さらに排気行程中に噴射された燃料が酸化触媒５で燃焼するため、ＤＰＦ７には通常より高い温度（例えば４００℃から５００℃程度）の排気が流入することになる。このため、排気中のＮＯ₂はＤＰＦ７に堆積した煤と容易に反応し、煤が燃焼して除去されるためＤＰＦ７の圧損が低下する。また、ＤＰＦ７を通過する排気は、全体としてまだリーン空燃比であるため、ＮＯ₂と煤との反応により発生したＮＯは、下流側のＮＯ_X吸収剤９により吸収され、排気から除去される。

本実施形態では、ＤＰＦ７の再生操作は数十分から数時間の間隔で行い、再生時の空燃比は２０程度のリーン空燃比に維持される。また、このときＤＰＦ７の再生は数分程度で完了する。
なお、前述したようにＮＯ_X吸収剤９の再生操作は数十秒から数分の間隔で実行されるが、本実施形態ではＤＰＦ７の再生操作中も、ＮＯ_X吸収剤９の再生操作のタイミングになった場合には、吸気絞り弁６を閉弁したままで排気行程時の燃料噴射量を増大し排気空燃比を１３まで低下させる。これにより、ＤＰＦ７再生操作中は、通常のＮＯ_X吸収剤９再生操作に加えて、通常より高い排気温度で再生操作が実行されるようになる。このように、ＤＰＦ７再生操作実行中もＮＯ_X吸収剤９の再生を行うのは、以下の理由による。

エンジン排気中にはディーゼル燃料に含まれる硫黄分により発生するＳＯ₂が含まれる。このＳＯ₂は酸化触媒５で酸化されてサルフェートＳＯ₃を生成する。このサルフェートＳＯ₃はＤＰＦ７では捕集されず、そのままＤＰＦを通過してしまい、排気中の微粒子として検出される。このため、ディーゼルエンジン１の排気通路３に酸化触媒５を配置すると、大気に放出される微粒子（ディーゼルパティキュレート）の量が増大する。ところが、サルフェートＳＯ₃はＮＯ_X吸収剤９を通過する際に、ＮＯの吸収と全く同じメカニズムで硫酸イオンＳＯ４ ２−を生成し、例えばＢａＳＯ₄等の硫酸塩の形でＮＯ_X吸収剤９に吸収される。このため本実施形態のようにＤＰＦ７下流側にＮＯ_X吸収剤９を設けることにより、ＮＯ_Xのみならず、酸化触媒５で生成したサルフェートＳＯ₃を排気から除去することができる。すなわち、本実施形態ではＮＯ_X吸収剤９をＤＰＦ７下流側に配置したことにより、ＤＰＦ上に堆積した煤の燃焼時のＮＯだけでなくサルフェートＳＯ₃をも同時に浄化することができる。

また、ＮＯ_X吸収剤内に吸収されたＳＯ_Xは、排気空燃比がリッチになったときにＮＯ_Xの放出と同じメカニズムによりＳＯ₂として放出される。
ところが、一般にサルフェートによりＮＯ_X吸収剤内に生成される硫酸塩はＮＯ_Xにより生成される硝酸塩より安定であり、通常のＮＯ_X吸収剤の再生操作に必要とされる温度より高い温度にならないとＮＯ_X吸収剤から放出されない。このため、単に排気空燃比をリッチにするだけの通常のＮＯ_X吸収剤再生操作を繰り返していると、ＮＯ_X吸収剤内の硫酸塩の量が増大しＮＯ_X吸収剤のＮＯ_XとＳＯ₃との吸収能力が低下してしまう。そこで、本実施例では、ＤＰＦ再生操作中にＮＯ_X吸収剤の再生を実行することにより、通常より高い温度でＮＯ_X吸収剤の再生を行い、吸収されたＳＯ₃をＳＯ₂の形で放出させるようにしている。これにより、ＤＰＦ７の再生操作中に、ＮＯ_XのみならずＳＯ₃をもＮＯ_X吸収剤９から放出させることが可能となり、ＮＯ_X吸収剤の吸収能力を常に高く維持することが可能となる。

次に、図２から図４を用いて、上記ＤＰＦ７とＮＯ_X吸収剤９との再生制御について説明する。
図２から図４は、本実施形態のＤＰＦ７とＮＯ_X吸収剤９との再生制御ルーチンを示すフローチャートである。本ルーチンはＥＣＵ２０により一定時間毎に実行される。

図２においてルーチンがスタートすると、ステップ２０１ではフラグＡＤＰＦの値が１にセットされているか否かが判断される。ここで、フラグＡＤＰＦはＤＰＦ７の再生操作実行フラグであり、ＤＰＦの再生操作実行条件が成立した場合に後述する図３のルーチンで１に設定される。ステップ２０１でＡＤＰＦ＝１であった場合には、ＤＰＦの再生操作を実行するため、ステップ２０３に進み吸気通路２の絞り弁６が所定開度まで閉弁されるとともに、酸化触媒５のヒータ５ａがオンにされる。

ステップ２０３実行後、ついでステップ２０５では別のフラグＡＮＯＸの値が１にセットされているか否かが判定される。ここで、ＡＮＯＸはＮＯ_X吸収剤９の再生操作実行フラグであり、ＮＯ_X吸収剤９の再生操作実行条件が成立した場合に、後述する図３のルーチンで１に設定される。
ステップ２０５でＡＮＯＸ≠１、すなわちＤＰＦの再生操作実行条件が成立しており、且つＮＯ_X吸収剤９の再生操作実行条件が成立していない場合には、ルーチンはステップ２０７に進み、機関回転数、アクセル開度に基づいて燃料噴射量料ＴＡＵ２１の値が算出される。ここで、ＴＡＵ２１は、通常の燃料噴射に加えて排気行程時に気筒内に噴射される燃料量であり、排気空燃比を理論空燃比よりリーン側の所定値（例えば空燃比で２０程度）とするのに必要とされる燃料噴射量である。すなわち、ステップ２０７では、機関回転数から吸入空気量絞り弁６閉弁時の機関吸入空気量Ｑが算出され、アクセル開度から現在の通常時燃料噴射量ＴＡＵが算出され、排気空燃比を所定値（空燃比で２０程度）にするために必要な排気行程燃料噴射量ＴＡＵ２１がＱとＴＡＵとから算出される。

また、ステップ２０９では排気行程燃料噴射量ＴＡＵ２を、上記により算出したＴＡＵ２１の値に設定しててルーチンを終了する。
ＴＡＵ２の値がＴＡＵ２１に設定されると、別途ＥＣＵ２０により実行される燃料噴射ルーチンにより、各気筒の排気行程時にＴＡＵ２１の量の燃料が噴射され、機関には合計でＴＡＵ＋ＴＡＵ２１の量の燃料が供給されるようになり、機関排気空燃比は２０程度のリーンな値になる。

すなわち、この場合には吸気絞り弁６が所定開度まで閉弁され、機関に供給される燃料は通常時よりＴＡＵ２１だけ増量されることになり、ＤＰＦ７には酸化触媒５で生成した比較的多量のＮＯ₂を含む高温のリーンな排気が流入することになる。このため、ＤＰＦ７上で煤がＮＯ₂と反応して燃焼し、ＤＰＦ７の再生が行われるとともに、煤の燃焼により生成されたＮＯが下流側のＮＯ_X吸収剤９で吸収される。

また、ステップ２０５でＮＯ_X吸収剤９の再生操作実行条件が成立している場合には、ステップ２０５の次にステップ２１５が実行され、機関回転数とアクセル開度とに基づいて燃料噴射量ＴＡＵ２２の値が算出される。ここで、ＴＡＵ２２は排気空燃比を理論空燃比よりリッチ側の所定値（例えば空燃比で１３程度）とするのに必要とされる排気行程燃料噴射量である。また、ステップ２１７では、排気行程燃料噴射量ＴＡＵ２の値をＴＡＵ２２に設定してルーチンを終了する。すなわち、この場合には吸気絞り弁を閉弁した状態で排気空燃比はリッチに制御される。このため、ＤＰＦ７とＮＯ_X吸収剤９とにはＨＣ、ＣＯ成分を多量に含む高温のリッチな排気が流入することになる。この状態では排気中にはＮＯ_X成分とＯ₂成分とはほとんど含まれないため、一時的にＤＰＦの再生操作は停止されるが、ＮＯ_X吸収剤９は、この高温かつリッチな排気で再生が行われるためＮＯ_X吸収剤７に吸収されたＮＯ_XのみならずＳＯ₃も放出、還元浄化される。このため、ＮＯ_X吸収剤９のＳＯ₃吸収によるＮＯ_X吸収能力の低下も解消され、ＮＯ_X吸収剤の完全な再生が行われる。

また、ステップ２０１でＡＤＰＦ≠１であった場合、すなわちＤＰＦ７の再生実行条件が成立していない場合には、ステップ２１１で吸気絞り弁６が全開にされるとともに、酸化触媒５のヒータ５ａがオフにされる。ついで、ステップ２１３では、ＮＯ_X吸収剤９の再生操作実行条件が成立しているか否かが判断され、成立している場合（ＡＮＯＸ＝１）にはステップ２１５、２１７でＴＡＵ２の値がＴＡＵ２２にセットされる。この状態では吸気絞り弁６は全開であり、かつヒータ５ａはオフになっているため、ＤＰＦ７とＮＯ_X吸収剤９とには、比較的低温でリッチな排気が流入することになり、ＮＯ_X吸収剤９は再生されるものの、吸収されたＳＯ_Xは放出されず、ＮＯ_Xの吸収量のみが低下する。

また、ステップ２１３でＮＯ_X吸収剤９の再生操作実行条件が成立していない場合にはステップ２１９で排気行程燃料噴射量ＴＡＵ２はゼロに設定される。すなわち、この場合には通常の圧縮行程燃料噴射のみが行われ、機関空燃比は大幅にリーンとなる。
すなわち、図２のルーチンでは、ＤＰＦの再生操作実行条件のみが成立した場合には、排気温度を上昇させ排気空燃比を２０程度まで低下させる操作を行う。これにより、ＤＰＦ７の再生のみが行われＤＰＦ７で発生したＮＯはＮＯ_X吸収剤９で吸収され、排気から除去される。

また、ＤＰＦ７とＮＯ_X吸収剤９との両方の再生操作実行条件が同時に成立した場合には、排気温度を上昇させた状態でさらに燃料が増量され、排気空燃比は１３程度まで低下される。これにより、ＮＯ_X吸収剤９は高温状態で再生操作が実行されることになり、ＮＯ_X吸収剤９に吸収されたＳＯ₃がＳＯ₂の形で放出される。

一方、ＤＰＦ７の再生操作実行条件が成立しておらず、ＮＯ_X吸収剤９の再生操作実行条件のみが成立した場合には、排気空燃比のみが１３程度まで低下される。これにより、ＮＯ_X吸収剤９は比較的低温状態で再生が行われるため、ＮＯ_X吸収剤９からは吸収したＮＯ_Xが放出、還元浄化されるものの吸収したＳＯ₃が放出されるまでるは至らない。

図３は、ＤＰＦ７とＮＯ_X吸収剤９との再生操作実行条件判定ルーチンを示すフローチャートである。本ルーチンはＥＣＵ２０により一定時間毎に実行され、ＤＰＦ７、ＮＯ_X吸収剤９それぞれの再生操作実行条件が成立したときにフラグＡＤＰＦとＡＮＯＸとの値を１にセットする。
図３において、ステップ３０１から３１３はＤＰＦ７の再生操作実行フラグＡＤＰＦの設定操作を示している。本実施形態では、エンジンへの燃料供給量を積算し、この積算値が所定値以上になった場合に再生操作を実行する。エンジンからの単位時間当たりの煤の発生量はエンジンへの燃料噴射量にほぼ比例すると考えられる。一方、単位時間当たりにＤＰＦ７に捕集される煤の量は単位時間当たりのエンジンの煤発生量に比例する。このため、ＤＰＦ７に捕集された煤の総量はエンジンへの燃料供給量の積算値に比例すると考えられる。そこで、本実施形態ではエンジンへの燃料供給量の積算値が所定値に到達する毎にＤＰＦ７の煤捕集量が一定量を越えたと判断してＤＰＦ７の再生操作を実行するようにしている。
すなわち、図３においてルーチンがスタートすると、ステップ３０１では燃料積算カウンタＦＤの値が所定量ＦＤ₀を越えたか否かが判定される。ＦＤは、後述する別の燃料積算カウンタＦＮとともに、図４に示すルーチンで積算されるカウンタである。図４のルーチンはＥＣＵ２０により一定時間毎に実行され、アクセル開度ＡＣＣと機関回転数Ｎとから燃料噴射量ＴＡＵを算出し（図４ステップ４０１）、このＴＡＵを積算して、それぞれＦＤ、ＦＮとして記憶する。

ステップ３０１でＦＤ＞ＦＤ₀であった場合にはステップ３０７から３１３で一定の時間ＤＰＦ７の再生操作実行フラグＡＤＰＦの値が１に保持される。すなわち、ステップ３０７ではカウンタＴＤの値を１カウントアップし、ステップ３１１と３１３では、カウンタＴＤの値が所定値ＴＤ₀を越えるまでフラグＡＤＰＦの値を１に保持し、ＴＤ＞ＴＤ₀になった場合にはステップ３１１で燃料積算カウンタＦＤの値をクリアする。これにより、次回のルーチン実行時にはステップ３０１の次にステップ３０３、３０５が実行され、カウンタＴＤがクリアされるとともに、フラグＡＤＰＦの値が０に復帰される。

すなわち、ステップ３０１から３１３では、燃料積算カウンタＦＤの値が所定値ＦＤ₀に到達する毎に一定時間（カウンタＴＤの値がＴＤ₀に到達するまでの時間）フラグＡＤＰＦの値を１に保持し、この一定時間が経過するとフラグＡＤＰＦの値を０に復帰させるとともに、カウンタＦＤの値をクリアする。これにより、エンジン運転中燃料供給量の積算値が一定量に到達する毎に図２のルーチンにより一定時間吸気絞り弁６の閉弁とヒータ５ａの通電とともに、通常の燃料噴射に加えて排気行程燃料噴射が実行され、ＤＰＦ７が再生される。

なお、上記燃料積算カウンタＦＤの値の判定値ＦＤ₀、再生操作実行時間ＴＤ₀はＤＰＦの種類、容量等により異なるため、実験等により最適値を定めることが好ましいが、本実施形態では、例えばＦＤ₀は燃料供給量にして６リットル程度、ＴＤ₀は１８０秒程度に設定されている。
図３、ステップ３１５から３２７はＮＯ_X吸収剤９の再生操作実行フラグＡＮＯＸの設定操作を示す。本実施形態では、ＤＰＦの場合と同様にエンジンへの燃料供給量の積算値が所定値に到達する毎にＮＯ_X吸収剤９の再生操作を行う。エンジンからのＮＯ_X発生量はエンジンで燃焼した燃料量に比例するため、ＤＰＦの場合と同様ＮＯ_X吸収剤９のＮＯ_X吸収量も燃料供給量の積算値に比例すると考えられる。そこで、本実施形態では、ＤＰＦの場合と同様に燃料供給量積算値が所定値に到達する毎にＮＯ_X吸収剤９の再生操作を行っている。ステップ３１５から３２７において、ＦＮは図４でカウントアップされる燃料積算カウンタ、ＴＮは積算カウンタが所定値ＦＮ₀に到達する毎に一定時間ＴＮ₀だけフラグＡＮＯＸの値を１に維持するためのカウンタである。ステップ３１５から３２７のステップは上述のステップ３０１から３１３のステップとほぼ同一であるため、ここでは説明を省略する。

ステップ３１５から３２７の実行により、ＮＯ_X吸収剤９のＮＯ_X吸収量が一定量に到達する毎に、通常の燃料噴射に加えて排気行程時燃料噴射が実行され、エンジンの排気空燃比は理論空燃比よりリッチ側に制御される。また、ＤＰＦ７の再生操作実行中であっても、ＮＯ_X吸収剤９の再生操作実行条件が成立するとＮＯ_X吸収剤９の再生が行われるため、ＤＰＦ７の再生中は通常より高温でＮＯ_X吸収剤９の再生が行われる。

なお、燃料積算カウンタＦＮの判定値ＦＮ₀、ＮＯ_X吸収剤再生操作実行時間ＴＮ₀の値はＮＯ_X吸収剤の種類、容量により異なるため、実際には実験等により最適な値を設定することが好ましいが、本実施形態では、例えばＦＮ₀は燃料供給量にして０．２リットル程度に、またＴＮ₀は０．５秒程度に設定されている。

図５は、上記図２から図４のルーチンによるＤＰＦ７とＮＯ_X吸収剤９との再生時期を示すタイミング図である。
例えば、排気量２４００ＣＣのディーゼルエンジンを回転数２０００ＲＰＭ、トルク８０ＮＭで運転した場合、ＦＤ₀＝６リットルとするとＤＰＦ７の再生操作は６０分程度の時間毎に実行される。また、ＦＮ₀＝０．２リットルとすると、ＮＯ_X吸収剤９の再生操作は２分程度の時間間隔で行われることになる（図５参照）。また、ＤＰＦ７の再生操作実行時間ＴＤ₀を３分程度、ＮＯ_X吸収剤９の再生操作実行時間ＴＮ₀を０．５秒程度に設定すると、図５に示すようにＤＰＦ７の再生操作実行中に必ず１〜２回のＮＯ_X吸収剤再生操作が実行されるようになる。このため、ＮＯ_X吸収剤９は定期的に高温状態で再生されるようになるため、通常のＮＯ_Xの放出、還元浄化に加えてＳＯ₃の放出が行われることになる。このため、ＳＯ_Xの蓄積によりＮＯ_X吸収剤の吸収能力が低下することが防止される。

なお、上記実施形態ではＤＰＦ７とＮＯ_X吸収剤９との再生のため、通常の燃料噴射に加えて各気筒の排気行程時に燃料噴射を行うようにしているが、エンジン排気通路３の酸化触媒５の上流側に燃料を噴射する燃料噴射弁を設け排気通路に直接燃料を噴射するようにしても良い。
また、上記実施形態では、エンジンへの燃料供給量に基づいてＤＰＦ７の煤捕集量とＮＯ_X吸収剤９のＮＯ_X吸収量とを推定しているが、煤の捕集量やＮＯ_X吸収量にかかわらず一定時間毎にそれぞれＤＰＦ７とＮＯ_X吸収剤９との再生を行うようにして制御を簡略化することも可能である。

次に、本発明の別の実施形態について説明する。上述の実施形態ではＤＰＦ７の下流側の排気通路に、リーン空燃比下で排気中のＮＯ_Xを吸収し、酸素濃度低下時に吸収したＮＯ_Xを放出、還元浄化するＮＯ_X吸収剤９を設けることにより、ＤＰＦ７下流側の排気中のＮＯを吸収（捕集）して排気からＮＯを除去している。これに対して、本実施形態ではＮＯ_X吸収剤９の代わりにリーン空燃比雰囲気下で排気中のＮＯを選択的に還元可能なＮＯ_X選択還元触媒を設ける点が相違している。なお、本実施形態の構成については、図１のＮＯ_X吸収剤９の代わりにＤＰＦ７下流側の排気通路にＮＯ_X選択還元触媒を配置する点のみが図１と相違しており、他の構成は図１と全く同じであるため、ここでは図示を省略する。

ＮＯ_X選択還元触媒としては、例えばゼオライトＺＳＭ−５にＣｕ等の金属をイオン交換して担持させたものが用いられる。ＮＯ_X選択還元触媒は排気空燃比がリーンのときに、適量のＨＣ、ＣＯ等の存在下でＮＯ_XをＨＣ、ＣＯと選択的に反応させることにより、排気中のＮＯ_Xを還元してＮ₂に転換する機能を有している。すなわち、ＮＯ_X選択還元触媒は、流入する排気中にＨＣ等の成分が存在すると、これらＨＣ成分等をゼオライトの細孔に吸着して保持し、このＨＣ成分等を用いてリーン空燃比雰囲気下で排気中のＮＯ_Xを還元浄化する。

従って、ＤＰＦ７の下流側排気通路にＮＯ_X選択還元触媒を配置することにより、通常運転時にＤＰＦ７を通過するＮＯ_XやＤＰＦ再生時に煤との反応により発生する排気中のＮＯを効果的に還元浄化することが可能となる。
上述のように、ＮＯ_X選択還元触媒でＮＯ_Xを浄化するためには触媒内に適量のＨＣ成分等が吸着されていることが必要とされる。

ところが、ディーゼルエンジンの通常運転時の排気空燃比は大幅なリーンであるため、排気中のＨＣ成分等の量は極めて少なくなる。このため、通常のリーン空燃比運転が続くと吸着されたＨＣ成分等が排気中のＮＯ_Xの還元に消費されて選択還元触媒内のＨＣ吸着量が減少してしまい、触媒のＮＯ_X浄化能力が低下してしまう。これを防止するためには、リーン空燃比運転実施時には定期的にＮＯ_X選択還元触媒にＨＣ成分等を供給することにより、常に選択還元触媒内に適量のＨＣ成分等が保持されるようにする必要がある。このため、本実施形態においても、定期的に短時間排気空燃比を理論空燃比よりリッチ側にして排気中のＨＣ、ＣＯ成分を増大させる操作を行う。すなわち、本実施形態においても、図２から図３と同様な操作を行い、排気行程噴射を実行することにより排気空燃比を短時間理論空燃比よりリッチ側に制御する。これにより、多量のＨＣ、ＣＯ成分を含む排気がＮＯ_X選択還元触媒に流入し、選択還元触媒内にＨＣ、ＣＯ成分が蓄積される。このため、排気空燃比がリーンに復帰した場合に、ＤＰＦ７を通過してくる排気中のＮＯ、ＮＯ₂をＮＯ_X選択還元触媒により還元浄化することが可能となる。すなわち、ＤＰＦ下流側にＮＯ_X選択還元触媒を配置することにより、排気中のＮＯが大気に放出されることを防止しつつ簡易に排気中の煤を除去することが可能となる。

本発明の排気浄化方法を実施するための装置の概略構成を説明する図である。 本発明の排気浄化方法における、ＤＰＦとＮＯ_X吸収剤との再生操作制御の一例を示すフローチャートである。 本発明の排気浄化方法における再生操作実行条件判定ルーチンの一例を示すフローチャートである。 図３のルーチンに使用するカウンタの設定ルーチンの一例を示すフローチャートである。 図１の実施形態におけるＤＰＦ再生とＮＯ_X吸収剤再生とのタイミングを示すタイミング図である。

符号の説明

１ ディーゼルエンジン
２ 吸気通路
３ 排気通路
４ 燃料噴射弁
５ 酸化触媒
６ 吸気絞り弁
７ ＤＰＦ
９ ＮＯ_X吸収剤
２０ エンジン制御回路（ＥＣＵ）

Claims (3)

1. ディーゼル機関の排気浄化方法であって、
   機関排気中の一酸化窒素を酸化して排気中に二酸化窒素を生成する工程と、
   機関排気中の煤をパティキュレートフィルタを用いて捕集する工程と、
   生成された排気中の二酸化窒素とパティキュレートフィルタに捕集した煤とを反応させることにより煤を燃焼させるパティキュレートフィルタの再生操作時に、排気空燃比をリーン空燃比に維持したまま排気温度を上昇させ、排気中に一酸化窒素を生成する工程と、
   上記排気中に生成された一酸化窒素を、流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯ_Xを吸収し、排気中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯ_Xを放出するＮＯ_X吸収剤を用いて排気から除去する工程と、
   を備えたディーゼル機関の排気浄化方法。
2. 前記再生操作時に、更にリーン空燃比を維持したままで排気空燃比を低下させる、請求項１に記載の排気浄化方法。
3. 前記再生操作中に、前記ＮＯ_X吸収剤から吸収したＮＯ_Xを放出させるべきときには排気空燃比を更に低下させてリッチ空燃比にする請求項１または２に記載の排気浄化方法。

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