JP4861766B2

JP4861766B2 - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP4861766B2
Application number: JP2006198141A
Authority: JP
Inventors: 森石井
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2006-07-20
Filing date: 2006-07-20
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2026-07-20
Also published as: JP2008025439A

Description

本発明は、排気浄化装置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、排気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を成し、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気ガスのみが下流側へ排出される一方、排気ガス中のパティキュレートが多孔質薄壁の内側表面に捕集されるようになっている。

そして、排気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、ＰｔやＰｄ等を活性種とする酸化触媒をパティキュレートフィルタに一体的に担持させるようにしている。

即ち、このような酸化触媒を担持させた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る。

そこで、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に燃料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、この燃料添加で生じた炭化水素がパティキュレートフィルタに担持された酸化触媒上で酸化反応し、その反応熱でパティキュレートフィルタの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（例えば、下記の特許文献１参照）。尚、パティキュレートフィルタの前段に、燃料添加で生じた炭化水素を酸化処理するための専用の酸化触媒を別途装備させても良いことは勿論である。

また、この種の燃料添加を実行するための具体的手段としては、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排気ガス中に燃料を添加するのが一般的である。
特開２００３−１９３８２４号公報

しかしながら、このような燃料添加によるパティキュレートフィルタの強制再生では、その再生直後に微小粒子に対する捕集性能が低下してしまう傾向があり、再生直後に多くの微小粒子がパティキュレートフィルタを擦り抜けて下流側へ排出されてしまう虞れがあった。

即ち、パティキュレートフィルタにパティキュレートが捕集されている状況にあっては、その捕集済みパティキュレートにより適度に目が詰まって木目細かなフィルタ機能が発揮されることになるのに対し、パティキュレートフィルタの強制再生が図られた直後では、ある程度のパティキュレートが捕集されてくるまで一時的に目が粗くなって木目細かなフィルタ機能が発揮できなくなってしまうのである。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、燃料添加によりパティキュレートフィルタを強制再生しても、該パティキュレートフィルタを擦り抜けて微小粒子が下流側へ排出されてしまう事態が起こらないようにすることを目的としている。

本発明は、酸化触媒を付帯装備して排気管途中に装備された触媒再生型のパティキュレートフィルタの上流側で排気ガス中への燃料添加を行い、その添加燃料が酸化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を強制再生する排気浄化装置において、パティキュレートフィルタを前後二段に分割構成し、その分割した前後のパティキュレートフィルタの間に通気構造の蓄熱体を介装し、後段のパティキュレートフィルタが前段のパティキュレートフィルタと比較して所要のタイムラグを持って再生を開始するように構成したことを特徴とするものである。

而して、強制再生のために上流側に燃料添加を行うと、その添加燃料から生じた炭化水素が、前段のパティキュレートフィルタに付帯装備されている酸化触媒上で酸化反応し、その反応熱により前段のパティキュレートフィルタの床温度が上げられて捕集済みパティキュレートが燃焼除去され、これにより前段のパティキュレートフィルタの再生化が図られて微小粒子に対する捕集性能が低下してしまうが、前段のパティキュレートフィルタを経て昇温した排気ガスは、通気構造の蓄熱体を通り抜ける間に熱を奪われて温度低下し、後段のパティキュレートフィルタの床温度を上げる作用を失うので、後段のパティキュレートフィルタでは未だ捕集済みパティキュレートが燃焼除去される段階に到らず、前段のパティキュレートフィルタを擦り抜けた微小粒子は後段のパティキュレートフィルタにて良好に捕集されることになる。

そして、このように後段のパティキュレートフィルタで良好に微小粒子が捕集されている間にも、前段のパティキュレートフィルタで徐々にパティキュレートが捕集されて捕集性能が向上してくるため、前段のパティキュレートフィルタを擦り抜けて後段のパティキュレートフィルタまで導かれる微小粒子が少なくなってくる。

然る後、蓄熱体の容量一杯まで蓄熱が成されて該蓄熱体を通る排気ガスの温度が低下しなくなり、この排気ガスが熱いまま後段のパティキュレートフィルタに導入されて床温度を上げるので、後段のパティキュレートフィルタが前段のパティキュレートフィルタと比較して所要のタイムラグを持って再生を開始することになる。

この結果、後段のパティキュレートフィルタ内の捕集済みパティキュレートが燃焼除去されて、該後段のパティキュレートフィルタにおける微小粒子に対する捕集性能が低下してしまうが、この段階では既に前段のパティキュレートフィルタにある程度のパティキュレートが捕集されて捕集性能が回復しているので、前段のパティキュレートフィルタにて良好に微小粒子のレベルまでパティキュレートが良好に捕集され、微小粒子が下流側へ排出されてしまう事態が回避される。

また、本発明をより具体的に実施するに際しては、排気空燃比がリーンの時に排気ガス中のＮＯxを酸化して硝酸塩の状態で一時的に吸蔵し且つ排気ガス中の酸素濃度が低下した時に還元剤の介在によりＮＯxを分解放出して還元浄化するＮＯx吸蔵還元触媒を蓄熱体として備えると良く、このようにすれば、排気浄化に寄与しない蓄熱体を配置する場合よりも搭載スペースの合理的な活用が図られ、コンパクトな搭載スペースでパティキュレートとＮＯxの同時低減化が実現されることになる。

上記した本発明の排気浄化装置によれば、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を前後二段に分割構成して相互間に通気構造の蓄熱体を介装したことにより、前段のパティキュレートフィルタと後段のパティキュレートフィルタとの再生のタイミングをずらして両方のパティキュレートフィルタが同時に再生しないようにすることができるので、燃料添加により各パティキュレートフィルタを強制再生を実行しても、該各パティキュレートフィルタを擦り抜けて微小粒子が下流側へ排出されてしまう事態が起こらないようにすることができる。

（ＩＩ）本発明の請求項２に記載の発明によれば、排気浄化に寄与しない蓄熱体を配置する場合よりも搭載スペースの合理的な活用を図ることができるので、コンパクトな搭載スペースでパティキュレートとＮＯxの同時低減化を実現することができる。

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３は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図１中における１はターボチャージャ２を装備したディーゼルエンジンを示しており、エアクリーナ３から導かれた吸気４が吸気管５を通し前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａへと送られ、該コンプレッサ２ａで加圧された吸気４がインタークーラ６へと送られて冷却され、該インタークーラ６から更に吸気マニホールド７へと吸気４が導かれてディーゼルエンジン１の各気筒８に分配されるようになっている。

更に、このディーゼルエンジン１の各気筒８から排出された排気ガス９は、排気マニホールド１０を介しターボチャージャ２のタービン２ｂへと送られ、該タービン２ｂを駆動した排気ガス９が排気管１１を介し車外へ排出されるようにしてある。

また、この排気管１１の途中に装備されたフィルタケース１２内には、捕集済みパティキュレートの酸化反応を助勢する機能を高めた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１３Ａ，１３Ｂが前後二段で分割構成されており、その分割した前後のパティキュレートフィルタ１３Ａ，１３Ｂの間には、排気空燃比がリーンの時に排気ガス９中のＮＯxを酸化して硝酸塩の状態で一時的に吸蔵し且つ排気ガス９中の酸素濃度が低下した時に還元剤の介在によりＮＯxを分解放出して還元浄化するＮＯx吸蔵還元触媒１４が介装されている。

図２は前後二段のパティキュレートフィルタ１３Ａ，１３Ｂの構造を模式的に示すもので、これら各パティキュレートフィルタ１３Ａ，１３Ｂ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１５の入口が栓体１６により交互に目封じされ、入口が目封じされていない流路１５については、その出口が栓体１７により目封じされるようになっていて、各流路１５を区画する多孔質薄壁１８を透過してパティキュレートを捕集された排気ガス９のみが下流側へ排出されるようになっている。

一方、図３はＮＯx吸蔵還元触媒１４の一部を切り欠いて概略的に示すもので、このＮＯx吸蔵還元触媒１４は、フロースルー型のハニカム構造を成しており、通気構造の蓄熱体を成す構成要素として前後のパティキュレートフィルタ１３Ａ，１３Ｂの間に介装されるようになっており、後段のパティキュレートフィルタ１３Ｂが前段のパティキュレートフィルタ１３Ａと比較して所要のタイムラグを持って再生を開始するようにしてある。

また、エンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を成す制御装置１９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２０（負荷センサ）からのアクセル開度信号２０ａ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２１からの回転数信号２１ａとが入力されるようになっており、この制御装置１９からは、ディーゼルエンジン１の各気筒８に燃料を噴射する燃料噴射装置２２に向け燃料噴射信号２２ａ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２２は、各気筒８毎に装備される複数のインジェクタ２３により構成されており、これら各インジェクタ２３の電磁弁が前記燃料噴射信号２２ａにより適宜に開弁制御されて燃料の噴射タイミング（開弁時期）及び噴射量（開弁時間）が適切に制御されるようになっている。

そして、前記制御装置１９では、アクセル開度信号２０ａ及び回転数信号２１ａに基づき通常モードの燃料噴射信号２２ａ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１３Ａ，１３Ｂの再生制御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非着火の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２２ａ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非着火の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気ガス９中に未燃の燃料が添加されることになり、この添加燃料から生じた炭化水素が主として前段のパティキュレートフィルタ１３Ａ表面の酸化触媒上で酸化反応し、その反応熱により床温度が上昇してパティキュレートフィルタ１３Ａ内のパティキュレートが燃焼除去され、更には、このパティキュレートフィルタ１３Ａを経た高温の排気ガス９が後段のパティキュレートフィルタ１３Ｂに導入されることで該パティキュレートフィルタ１３Ｂの床温度が上昇してパティキュレートが燃焼除去されることになる。

また、この制御装置１９においては、回転センサ２１からの回転数信号２１ａに基づきディーゼルエンジン１の回転数を抽出すると共に、アクセルセンサ２０からのアクセル開度信号２０ａに基づく燃料噴射信号２２ａの決定時に判明している燃料の噴射量を抽出し、これら回転数と噴射量とによるパティキュレートの発生量マップからディーゼルエンジン１の現在の運転状態に基づくパティキュレートの基本的な発生量を推定し、この基本的な発生量に対しパティキュレートの発生にかかわる各種の条件を考慮した補正係数を掛け且つ現在の運転状態におけるパティキュレートの処理量を減算して最終的な発生量を求め、この最終的な発生量を時々刻々積算してパティキュレートの堆積量を推定するようになっており、この堆積量が所定の目標値に達したものと推定された時に通常モードから再生モードへの切り替えが成されるようになっている。

尚、このようなパティキュレートの堆積量を推定する方法には各種の考え方があり、ここに例示した推定方法以外の手法を用いてパティキュレートの堆積量を推定することも勿論可能である。

更に、本形態例においては、分割した前後のパティキュレートフィルタ１３Ａ，１３Ｂの間にＮＯx吸蔵還元触媒１４が介装されているので、該ＮＯx吸蔵還元触媒１４へ向けた燃料添加を実行するための燃料添加弁２４がフィルタケース１２の入側に装備されており、この燃料添加弁２４は制御装置１９からの開弁指令信号２４ａにより適宜に開弁制御されるようになっている。

即ち、ＮＯx吸蔵還元触媒１４においては、ＮＯxの吸蔵量が増大して飽和量に達してしまうと、それ以上のＮＯxを吸蔵できなくなるため、定期的にＮＯx吸蔵還元触媒１４に流入する排気ガス９の酸素濃度を低下させてＮＯxを分解放出させる必要があるが、ディーゼルエンジン１の場合には、このような条件をエンジン側の燃料噴射制御だけで実現することが困難であるため、フィルタケース１２の入側に専用の燃料添加弁２４を別途装備するようにしている。

尚、図１中における２５は排気マニホールド１０から排気ガス９の一部を抜き出して吸気マニホールド７の入口部に再循環するＥＧＲパイプ、２６は該ＥＧＲパイプ２５の途中に装備されて排気ガス９を水冷するＥＧＲクーラ、２７はＥＧＲパイプ２５の再循環量を制御するＥＧＲバルブを示す。

而して、制御装置１９でパティキュレートの堆積量が所定の目標値に達したものと推定された時に通常モードから再生モードへの切り替えが成されると、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非着火のタイミングでポスト噴射が燃料噴射装置２２で実行され、このポスト噴射により排気ガス９中に未燃の燃料が添加される結果、この添加燃料から生じた炭化水素が主として前段のパティキュレートフィルタ１３Ａ表面の酸化触媒上で酸化反応し、その反応熱により床温度が上昇してパティキュレートフィルタ１３Ａ内のパティキュレートが燃焼除去される。

これにより前段のパティキュレートフィルタ１３Ａの再生化が図られて微小粒子に対する捕集性能が低下してしまうことになるが、前段のパティキュレートフィルタ１３Ａを経て昇温した排気ガス９は、ＮＯx吸蔵還元触媒１４を通り抜ける間に熱を奪われて温度低下し、後段のパティキュレートフィルタ１３Ｂの床温度を上げる作用を失うので、後段のパティキュレートフィルタ１３Ｂでは未だ捕集済みパティキュレートが燃焼除去される段階に到らず、前段のパティキュレートフィルタ１３Ａを擦り抜けた微小粒子は後段のパティキュレートフィルタ１３Ｂにて良好に捕集されることになる。

そして、このように後段のパティキュレートフィルタ１３Ｂで良好に微小粒子が捕集されている間にも、前段のパティキュレートフィルタ１３Ａで徐々にパティキュレートが捕集されて捕集性能が向上してくるため、前段のパティキュレートフィルタ１３Ａを擦り抜けて後段のパティキュレートフィルタ１３Ｂまで導かれる微小粒子が少なくなってくる。

然る後、ＮＯx吸蔵還元触媒１４の容量一杯まで蓄熱が成されて該ＮＯx吸蔵還元触媒１４を通る排気ガス９の温度が低下しなくなり、この排気ガス９が熱いまま後段のパティキュレートフィルタ１３Ｂに導入されて床温度を上げるので、後段のパティキュレートフィルタ１３Ｂが前段のパティキュレートフィルタ１３Ａと比較して所要のタイムラグを持って再生を開始することになる。

この結果、後段のパティキュレートフィルタ１３Ｂ内の捕集済みパティキュレートが燃焼除去されて、該後段のパティキュレートフィルタ１３Ｂにおける微小粒子に対する捕集性能が低下してしまうが、この段階では既に前段のパティキュレートフィルタ１３Ａにある程度のパティキュレートが捕集されて捕集性能が回復しているので、前段のパティキュレートフィルタ１３Ａにて良好に微小粒子のレベルまでパティキュレートが良好に捕集され、微小粒子が下流側へ排出されてしまう事態が回避される。

従って、上記形態例によれば、前後二段に分割構成したパティキュレートフィルタ１３Ａ，１３Ｂを採用して相互間に通気構造の蓄熱体を成すＮＯx吸蔵還元触媒１４を介装したことにより、前段のパティキュレートフィルタ１３Ａと後段のパティキュレートフィルタ１３Ｂとの再生のタイミングをずらして両方のパティキュレートフィルタ１３Ａ，１３Ｂが同時に再生しないようにすることができるので、燃料添加により各パティキュレートフィルタ１３Ａ，１３Ｂを強制再生を実行しても、該各パティキュレートフィルタ１３Ａ，１３Ｂを擦り抜けて微小粒子が下流側へ排出されてしまう事態が起こらないようにすることができる。

また、特に本形態例においては、分割した前後のパティキュレートフィルタ１３Ａ，１３Ｂの間にＮＯx吸蔵還元触媒１４を蓄熱体として備えているので、排気浄化に寄与しない蓄熱体を配置する場合よりも搭載スペースの合理的な活用を図ることができ、コンパクトな搭載スペースでパティキュレートとＮＯxの同時低減化を実現することができる。

尚、本発明の排気浄化装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、先の形態例においては、排気ガス中に燃料を添加する燃料添加手段として、燃料のメイン噴射に続いて非着火のタイミングでポスト噴射を追加することで排気ガス中に燃料を添加する場合を例示しているが、メイン噴射自体の噴射時期を通常より遅らせることで排気ガス中に燃料の未燃分を多く残して燃料添加とすることも可能であり、排気管の上流側にインジェクタを別途装備して排気管内に燃料を直噴することも可能であること、また、酸化触媒はパティキュレートフィルタ自体に担持されていても良いし、パティキュレートフィルタの前段に別体で配置されていても良いこと、更に、蓄熱体は必ずしもＮＯx吸蔵還元触媒に限定されないこと、その他、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構造を模式的に示す断面図である。図１のＮＯx吸蔵還元触媒の一部を切り欠いて示す斜視図である。

符号の説明

１ディーゼルエンジン
９排気ガス
１１排気管
１３Ａ前段のパティキュレートフィルタ
１３Ｂ後段のパティキュレートフィルタ
１４ＮＯx吸蔵還元触媒（蓄熱体）
２２燃料噴射装置

Claims

酸化触媒を付帯装備して排気管途中に装備された触媒再生型のパティキュレートフィルタの上流側で排気ガス中への燃料添加を行い、その添加燃料が酸化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を強制再生する排気浄化装置において、パティキュレートフィルタを前後二段に分割構成し、その分割した前後のパティキュレートフィルタの間に通気構造の蓄熱体を介装し、後段のパティキュレートフィルタが前段のパティキュレートフィルタと比較して所要のタイムラグを持って再生を開始するように構成したことを特徴とする排気浄化装置。
排気空燃比がリーンの時に排気ガス中のＮＯxを酸化して硝酸塩の状態で一時的に吸蔵し且つ排気ガス中の酸素濃度が低下した時に還元剤の介在によりＮＯxを分解放出して還元浄化するＮＯx吸蔵還元触媒を蓄熱体として備えたことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。