JP4692334B2 - 排気微粒子捕集用フィルタの再生制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置として用いられる排気微粒子捕集用フィルタの再生制御装置に関する。

大気汚染防止の要請から、内燃機関、特にディーゼルエンジンの排気中に含まれる微粒子（粒子状物質；ＰＭ）の大気への放出を抑制する必要があり、このため、排気系にディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）と呼ばれる排気微粒子捕集用フィルタを装着することが行われている。
排気微粒子捕集用フィルタは、特許文献１に見られるように、上流端が開口し下流端が閉塞された多数の開口セルと、上流端が閉塞され下流端が開口する多数の閉塞セルとを有する多孔質材料を用いたハニカム型モノリスフィルタからなる。

そして、このフィルタは、排気微粒子の捕集に伴って経時的に目詰まりを生じるので、所定の再生時期に、堆積している排気微粒子を何らかの手段によって燃焼させ、フィルタから除去するようにしている。かかる燃焼のため、フィルタの表面に白金触媒を含有させたコート層を被覆形成している。
ここにおいて、特許文献１に記載の技術では、触媒のコーティング量（コート層の厚さ）を、フィルタ中心部では多く、フィルタ周辺部では少なく構成している（フィルタ中心部の通気抵抗を増加させて、フィルタ全体の流速分布を均一化するため）。
特開２００４−１６９５８６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、排気微粒子の堆積量の分布を均一化することはできるものの、低負荷での走行頻度が高いなどの理由で、フィルタの温度を十分に上昇させることができず、再生を行うことができない状況では、排気微粒子の過度の堆積を生じ、排気抵抗の増大による運転性の悪化が懸念される。
本発明は、このような実状に鑑み、比較的低温でも部分的に再生を行うことができ、運転性の悪化を回避できる排気微粒子捕集用フィルタの再生制御装置を提供することを目的とする。

このため、本発明では、モノリスフィルタの排気通路断面の一部分について、その上流端から下流端までを、他部分と比較して、コート層中の白金触媒の濃度を高くしたり、白金触媒の比表面積を大きくしたりして、コート層の単位厚さ当たりの排気微粒子と白金触媒との接触確率が高くなるように構成する。
また、フィルタの再生時は、フィルタの温度を上昇させてフィルタに堆積している排気微粒子を燃焼除去するが、内燃機関の運転状態に応じて、フィルタの再生時の温度を異ならせ、低回転・低負荷領域の場合は、フィルタの温度を前記一部分にて排気微粒子が燃焼する温度まで上昇させるように構成する。

本発明によれば、一部分について、コート層の単位厚さ当たりの排気微粒子と白金触媒との接触確率が高くなるようにすることで、その部分では、比較的低温で燃焼できるようになる。従って、低回転・低負荷領域でも、例えば吸気絞りのみによって温度上昇させるだけで、その部分の再生が可能となるので、排気抵抗の増加を抑えて、運転性の悪化を回避することができる。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態を示す内燃機関（ここではディーゼルエンジン）のシステム図である。
ディーゼルエンジン１の吸気通路２には過給機（ターボチャージャ）３の吸気コンプレッサが備えられ、吸入空気は吸気コンプレッサによって過給され、インタークーラ４で冷却され、吸気絞り弁５を通過した後、コレクタ６を経て、各気筒の燃焼室内へ流入する。燃料は、コモンレール式燃料噴射装置により、すなわち、高圧燃料ポンプ７により高圧化されてコモンレール８に送られ、各気筒の燃料噴射弁９から燃焼室内へ直接噴射される。燃焼室内に流入した空気と噴射された燃料はここで圧縮着火により燃焼し、排気は排気通路１０へ流出する。

排気通路１０へ流出した排気の一部は、ＥＧＲガスとして、ＥＧＲ装置により、すなわち、ＥＧＲ通路１１によりＥＧＲ弁１２を介して、吸気側へ還流される。排気の残りは、過給機３の排気タービンを通り、これを駆動する。
また、排気通路１０の排気タービン下流には、排気浄化のため、流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯｘをトラップし、流入する排気の空燃比がリッチのときにトラップしたＮＯｘを脱離浄化するＮＯｘトラップ触媒１３を配置してある。また、このＮＯｘトラップ触媒１３には、貴金属を担持させて、排気中のＨＣ、ＣＯを酸化する機能を持たせ、酸化機能付きＮＯｘトラップ触媒としてある。

更に、ＮＯｘトラップ触媒１３の下流には、排気中の微粒子（以下ＰＭという）を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ（以下ＤＰＦという）１４を配置してある。
コントロールユニット２０には、エンジン１の制御のため、エンジン回転数Ｎｅ検出用の回転数センサ２１、アクセル開度ＡＰＯ検出用のアクセル開度センサ２２、吸入空気量Ｑａ検出用のエアフローメータ２３、エンジン冷却水温度Ｔｗ検出用の水温センサ２４の他、排気通路１０のＤＰＦ１４上流側で排気圧力Ｐｅを検出する排気圧力センサ２５、ＤＰＦ１４の温度（ＤＰＦ温度）Ｔｄを検出するＤＰＦ温度センサ２６などから、信号が入力されている。尚、ＤＰＦ温度はＤＰＦの下流側に排気温度センサを設けて、排気温度より間接的に検出するようにしてもよい。

コントロールユニット２０は、これらの入力信号に基づいて、燃料噴射弁９によるメイン噴射及び所定の運転条件においてメイン噴射後（膨張行程又は排気行程）に行うポスト噴射の燃料噴射量及び噴射時期制御のための燃料噴射弁９への燃料噴射指令信号、吸気絞り弁５への開度指令信号、ＥＧＲ弁１２への開度指令信号等を出力する。
ここで、ＤＰＦ１４について詳しく説明する。

ＤＰＦ１４は、図２の斜視図に示すように、多孔質材料（多孔質セラミック）からなり、円柱状の外形を有するハニカム構造体（ハニカム型モノリスフィルタ）であり、拡径された円筒状のケーシング内に、保持マットを介して、収納される。
ＤＰＦ１４の内部構造について説明すると、ハニカム構造体の拡大断面図である図３に示すように、ハニカム構造体の多孔質の格子状セル壁１５により仕切られて多数（複数）の並列なセル（セル空間）１６が設けられ、各セル１６はそれぞれ排気流れ方向に延在している。そして、セル１６の隣接するもの同士において、一方は下流端（出口側）を、他方は上流端（入口側）を、それぞれ封止材１７、１８により交互に封止してある。

従って、セル１６には、上流端が開口し下流端が閉塞された開口セル１６Ａと、上流端が閉塞され下流端が開口する閉塞セル１６Ｂとがある。
ここで、エンジン１からの排気は、排気入口側の開口セル１６Ａに流入し、多孔質のセル壁１１（その気孔）を介してのみ、排気出口側の閉塞セル１６Ｂに流出するので、セル壁１５にて排気中のＰＭを確実に捕集することができる。

また、モノリスフィルタ（セル壁１５）の表面、少なくとも、排気入口側である開口セル１６Ａ側のセル壁１５の表面には、触媒をコーティング、すなわち、白金触媒を含有するコート層（ウォッシュコート層）１９を被覆形成することで、触媒の作用により、再生時のＰＭの燃焼を促進できるようにしてある。
また、図４に、触媒濃度（コート層中の白金触媒の濃度；重量％）と、ＰＭ燃焼温度（℃）との関係を示す。この図からわかるように、触媒濃度を高めることで、より低温でＰＭの燃焼が可能となり、触媒濃度を４０％以上とすれば、４００℃程度でＰＭの燃焼が可能となる。

しかし、ＤＰＦの全ての部分で触媒濃度を高めると、貴金属であることから、大幅なコストアップにつながる。
そこで、本発明では、ＤＰＦの排気通路の断面の一部分（中心部）について、その上流端から下流端まで、他部分（周辺部）と比較して、コート層の単位厚さ当たりでのＰＭと白金触媒との接触確率が高くなるように、コート層中の白金触媒の濃度を高くすることにより、再生時期となった場合に、低負荷領域での運転頻度が高く、十分に排気温度を上昇できない場合でも、触媒濃度の高い部分でのＰＭの燃焼除去を可能として、排気抵抗の増大による運転性の悪化を防止するのである。

具体的には、図５に示すように、ＤＰＦ１４の中心部について、コート層の触媒濃度を４０％以上とし、これ以外の周辺部については、コート層の触媒濃度を例えば３〜１０％とする。
尚、このように白金触媒の濃度を変えるには、白金触媒濃度の高いコーティング液と、白金触媒濃度の低いコーティング液とを用意しておき、例えば、高濃度にする部分をマスキングしてから低濃度のコーティング液に浸けてコーティングし、乾燥させた後、最初にコーティングした部分をマスキングしてから高濃度のコーティング液に浸けてコーティングすればよい。

本実施形態によれば、ＤＰＦ（モノリスフィルタ）の排気通路断面の一部分について、その上流端から下流端までを、他部分と比較して、コート層の単位厚さ当たりでの排気微粒子と白金触媒との接触確率が高くなるようにすることで、その部分では、比較的低温で燃焼できるようになり、低負荷での走行頻度が多いときでも、例えば吸気絞り（吸気量減少）のみによって温度上昇させるだけで、その部分の再生が可能となるので、再生の機会の確保が容易となり、排気抵抗の増加を抑えて、運転性の悪化を回避することができる。

また、本実施形態によれば、前記一部分は、排気通路断面の中心部とすることにより、熱的に有利な（熱の逃げが少なく比較的温度が高い）位置となるので、低温でも効率よく燃焼可能となり、再生の機会の確保が容易となる。
また、本実施形態によれば、前記一部分について、前記接触確率を高くするため、前記コート層中の白金触媒の濃度を高くすることにより、比較的簡単に実施できる。

また、本実施形態によれば、白金触媒の濃度を高くする部分の濃度を４０重量％以上とすることにより、ＰＭを燃焼除去可能な温度を４００℃程度まで低下できる。これは、低回転・低負荷領域であっても、吸気絞りによって上昇可能な温度である。
尚、上記実施形態では、前記一部分について、前記接触確率を高くするため、コート層中の白金触媒の濃度を高くしたが、前記一部分について、前記接触確率を高くするため、白金触媒の比表面積を大きくするようにしてもよい。具体的には、前記一部分について、粒径の小さい白金触媒を使用することにより、その部分の白金触媒の比表面積を大きくするのである。これによっても同様の効果が得られる。

次に、本発明に係るＤＰＦ１４を用いた場合のＤＰＦ再生制御について説明する。
図６〜図８はＥＣＵ２０にて実行されるＤＰＦ再生制御のフローチャートであり、所定時間毎に繰り返し実行される。
先ず図６のメインフローチャートから説明する。
Ｓ１では、エンジンの運転状態として、エンジン回転数センサやアクセル開度センサの検出情報（エンジン回転数Ｎｅ、アクセル開度ＡＰＯ）や、これらに基づいて演算処理した制御情報（メイン噴射量Ｑｆ）を読込む。

Ｓ２では、ＤＰＦの低温再生中であることを示す低温再生フラグが立っているか否かを判定し、低温再生フラグ＝１の場合は、Ｓ１１（図７）以降のＤＰＦ低温再生モードの制御へ進む。
Ｓ３では、ＤＰＦの高温再生中であることを示す高温再生フラグが立っているか否かを判定し、高温再生フラグ＝１の場合は、Ｓ２１（図８）以降のＤＰＦ高温再生モードの制御へ進む。

非再生中（低温再生フラグ＝０かつ高温再生フラグ＝０）の場合は、Ｓ４へ進む。
Ｓ４では、ＤＰＦの再生時期の判定のため、排気圧力センサの信号を読込み、ＤＰＦ上流側の排気圧力Ｐｅを検出する。ＤＰＦのＰＭ堆積量が増えれば、当然にＤＰＦ上流側の排気圧力が上昇するからである。
次のＳ５では、エンジン運転状態（エンジン回転数Ｎｅ及びメイン噴射量Ｑｆ）に基づき、図９のマップを参照して、再生時期判断用の排圧しきい値ＳＬを求める。再生時期判断用の排圧しきい値ＳＬは、エンジン運転状態に応じて変化する（高回転・高負荷になるほど高くなる）基準排圧に、ＤＰＦのＰＭ堆積量が所定値となったときの排圧上昇分を加算して設定したものである。

次のＳ６では、ＤＰＦ上流側の排気圧力Ｐｅを排圧しきい値ＳＬと比較して、Ｐｅ≧ＳＬか否かにより、ＤＰＦの再生時期（ＰＭ堆積量≧所定値）か否かを判定する。
尚、前回の再生からの走行距離が所定距離を超えていることを、再生時期の判断条件の１つとしてもよい。
また、前回の再生が低温再生の場合は、早い機会に高温再生を実施することが望ましいことから、再生時期判断用の排圧しきい値ＳＬを低側に変更するようにしてもよい。

再生時期と判定された場合は、Ｓ７へ進む。
Ｓ７では、エンジンの運転状態が、低回転・低負荷領域（排気温度が比較的低い領域；低温再生領域）か、高回転・高負荷領域（排気温度が比較的高い領域；高温再生領域）かを判定する。すなわち、図１０の低温再生領域（エンジン回転数Ｎｅ≦規定値かつメイン噴射量Ｑｆ≦規定値）か、高温再生領域かを判定する。

低回転・低負荷領域（低温再生領域）の場合は、Ｓ８へ進んで、低温再生フラグ＝１として、ＤＰＦ低温再生要求を出す。従って、次回より、ＤＰＦ低温再生モードの制御へ移行する（Ｓ２→Ｓ１１）。
低回転・低負荷領域でない場合（高回転・高負荷の高温再生領域の場合）は、Ｓ９へ進んで、高温再生フラグ＝１として、ＤＰＦの高温再生要求を出す。従って、次回より、ＤＰＦ高温再生モードの制御へ移行する（Ｓ３→Ｓ２１）。

図７はＤＰＦの低温再生要求時に実行されるＤＰＦ低温再生モードのフローチャートである。
Ｓ１１では、ＤＰＦを低温再生時の目標温度（例えば４００℃）に制御するため、ＤＰＦ温度センサの信号を読込んで、ＤＰＦ温度Ｔｄを検出する。
尚、ここでの目標温度は目標温度範囲として与え、その下限値をＴ１Ｌ（例えば３８０℃）、上限値をＴ１Ｈ（例えば４２０℃）とする。

Ｓ１２では、ＤＰＦ温度Ｔｄを低温再生時の目標温度の下限値Ｔ１Ｌ（例えば３８０℃）と比較する。
Ｓ１３では、ＤＰＦ温度Ｔｄを低温再生時の目標温度の上限値Ｔ１Ｈ（例えば４２０℃）と比較する。
これらの比較の結果、ＤＰＦ温度Ｔｄ＜Ｔ１Ｌの場合は、Ｓ１４へ進んで、吸気絞り弁を閉弁側に制御し、ＤＰＦ温度を上昇させる。

ＤＰＦ温度Ｔｄ＞Ｔ１Ｈの場合は、Ｓ１５へ進んで、吸気絞り弁を開弁側に制御し、ＤＰＦ温度を低下させ、目標温度範囲内に収束させる。
ＤＰＦ温度ＴｄがＴ１Ｌ〜Ｔ１Ｈの範囲内に収束したときは、Ｓ１６へ進む。
Ｓ１６では、ＤＰＦ温度が目標温度範囲に収束している状態で、所定の再生時間ｔreg1経過したか否かを判定し、ＮＯの場合は吸気絞り弁の制御を続行する。

所定の再生時間ｔreg1経過すれば、ＤＰＦの高触媒濃度の高い部分である中心部のＰＭが燃焼除去され、排気抵抗の悪化を回避できるので、その場合は、低温再生を終了させるため、Ｓ１７へ進む。
Ｓ１７では、低温再生を終了させるため、吸気絞り弁の制御を停止する。そして、Ｓ１８で、低温再生フラグ＝０とする。

図８はＤＰＦの高温再生要求時に実行されるＤＰＦ高温再生モードのフローチャートである。
Ｓ２１では、ＤＰＦを高温再生時の目標温度（例えば６００℃）に制御するため、ＤＰＦ温度センサの信号を読込んで、ＤＰＦ温度Ｔｄを検出する。
尚、ここでも目標温度は目標温度範囲として与え、その下限値をＴ２Ｌ（例えば５８０℃）、上限値をＴ２Ｈ（例えば６２０℃）とする。

Ｓ２２では、ＤＰＦ温度Ｔｄを高温再生時の目標温度の下限値Ｔ２Ｌ（例えば５８０℃）と比較する。
Ｓ２３では、ＤＰＦ温度Ｔｄを高温再生時の目標温度の上限値Ｔ２Ｈ（例えば６２０℃）と比較する。
これらの比較の結果、ＤＰＦ温度Ｔｄ＜Ｔ２Ｌの場合は、Ｓ２４へ進んで、ポスト噴射の実施を前提として、ポスト噴射量を増量し、ＤＰＦ温度を上昇させる。

ＤＰＦ温度Ｔｄ＞Ｔ２Ｈの場合は、Ｓ２５へ進んで、ポスト噴射量を減量し、ＤＰＦ温度を低下させ、目標温度範囲内に収束させる。
ＤＰＦ温度ＴｄがＴ２Ｌ〜Ｔ２Ｈの範囲内に収束したときは、Ｓ２６へ進む。
Ｓ２６では、ＤＰＦ温度が目標温度範囲に収束している状態で、所定の再生時間ｔreg2経過したか否かを判定し、ＮＯの場合はポスト噴射の制御を続行する。

所定の再生時間ｔreg2経過すれば、ＤＰＦのほぼ全ての部分のＰＭが燃焼除去され、完全に再生されるので、その場合は、高温再生を終了させるため、Ｓ２７へ進む。
Ｓ２７では、高温再生を終了させるため、ポスト噴射の制御を停止する。そして、Ｓ２８で、高温再生フラグ＝０とする。
本実施形態によれば、所定の再生条件（ＰＭ堆積量≧所定値）にて、ＤＰＦの温度を上昇させてＤＰＦに堆積しているＰＭを燃焼除去する再生手段を備え、この再生手段は、エンジンの運転状態に応じて、ＤＰＦの再生時の温度を異ならせ、低回転・低負荷領域の場合は、ＤＰＦの温度を前記一部分（触媒濃度が高い中心部）にてＰＭが燃焼する温度（例えば４００℃）まで上昇させることにより、低負荷での走行頻度が高い場合でも、例えば吸気絞り（吸気量減少）のみによって温度上昇させるだけで、その部分の再生が可能となるので、再生の機会を確保でき、排気抵抗の増加を抑えて、運転性の悪化を回避することができる。

また、本実施形態によれば、高回転・高負荷領域の場合は、ＤＰＦの温度を前記他部分（触媒濃度が低い周辺部）でもＰＭが燃焼する温度（例えば６００℃）まで上昇させることにより、ＤＰＦの完全再生を図ることができる。
また、本実施形態によれば、低温再生時は、吸気絞り（吸気量減少）により昇温する構成とすることで、簡単にかつ燃費の悪化なしに（ポスト噴射を使用せず）実施できる。一方、高温再生時には、ポスト噴射により昇温する構成とすることで、高温度実現の自由度が高いポスト噴射を用いて、ＤＰＦの完全再生可能な温度まで確実に昇温できる。

但し、これに限るものではなく、低温再生時に、吸気絞り、ポスト噴射（噴射量少）、あるいはメイン噴射時期遅角のいずれか、又は、これらの組み合わせを用いてもよい。また、高温再生時には、ポスト噴射（噴射量多）、メイン噴射時期遅角、ポスト噴射と吸気絞りとの組み合わせ、メイン噴射時期遅角と吸気絞りとの組み合わせを用いてもよい。
更に、ＤＰＦの前記一部分（触媒濃度が高い中心部）に、電気ヒータを組み込んでおき、電気ヒータに通電して発熱させることで、その部分のＰＭを燃焼除去する構成としてもよい。

本発明の一実施形態を示すエンジンのシステム図 ＤＰＦの斜視図 ＤＰＦの詳細構造を示す拡大断面図 触媒濃度とＰＭ燃焼温度との関係を示す図 ＤＰＦにおける高触媒濃度部分及び低触媒濃度部分の説明図 ＤＰＦ再生制御のメインフローチャート ＤＰＦ低温再生モードのフローチャート ＤＰＦ高温再生モードのフローチャート 再生時期判断用の排圧しきい値マップを示す図 低温再生及び高温再生の実施領域を示す図

符号の説明

１ ディーゼルエンジン
２ 吸気通路
５ 吸気絞り弁
９ 燃料噴射弁
１０ 排気通路
１１ ＥＧＲ通路
１２ ＥＧＲ弁
１３ ＮＯｘトラップ触媒
１４ ＤＰＦ
１５ セル壁
１６ セル（セル空間）
１６Ａ 開口セル
１６Ｂ 閉塞セル
１７、１８ 封止材
１９ 白金触媒を含有するコート層
２０ コントロールユニット
２１ 回転数センサ
２２ アクセル開度センサ
２５ 排気圧力センサ
２６ ＤＰＦ温度センサ

Claims (5)

1. 上流端が開口し下流端が閉塞された多数の開口セルと上流端が閉塞され下流端が開口する多数の閉塞セルとを有する多孔質材料を用いたハニカム型モノリスフィルタからなり、内燃機関の排気系に介装されて排気中の微粒子を捕集する排気微粒子捕集用フィルタであって、前記モノリスフィルタの表面に白金触媒を含有させたコート層を被覆形成した排気微粒子捕集用フィルタを備える内燃機関において、
   前記モノリスフィルタの排気通路断面の一部分について、その上流端から下流端までを、他部分と比較して、前記コート層の単位厚さ当たりでの排気微粒子と白金触媒との接触確率が高くなるようにすると共に、
   所定の再生条件にて、前記フィルタの温度を上昇させて前記フィルタに堆積している排気微粒子を燃焼除去する再生手段を備え、この再生手段は、内燃機関の運転状態に応じて、前記フィルタの再生時の温度を異ならせ、低回転・低負荷領域の場合は、前記フィルタの温度を前記一部分にて排気微粒子が燃焼する温度まで上昇させることを特徴とする排気微粒子捕集用フィルタの再生制御装置。
2. 前記一部分は、排気通路断面の中心部とすることを特徴とする請求項１記載の排気微粒子捕集用フィルタの再生制御装置。
3. 前記一部分について、前記接触確率を高くするため、前記コート層中の白金触媒の濃度を高くすることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の排気微粒子捕集用フィルタの再生制御装置。
4. 白金触媒の濃度を高くする部分の濃度を４０重量％以上とすることを特徴とする請求項３記載の排気微粒子捕集量フィルタの再生制御装置。
5. 前記一部分について、前記接触確率を高くするため、白金触媒の比表面積を大きくすることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の排気微粒子捕集用フィルタの再生制御装置。

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