JPH0953442A - ディーゼル機関の排気浄化方法 - Google Patents

ディーゼル機関の排気浄化方法

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JPH0953442A
JPH0953442A JP7207108A JP20710895A JPH0953442A JP H0953442 A JPH0953442 A JP H0953442A JP 7207108 A JP7207108 A JP 7207108A JP 20710895 A JP20710895 A JP 20710895A JP H0953442 A JPH0953442 A JP H0953442A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＮＯX やパティキュレートの排出量の増大を
生じることなくディーゼルエンジン排気中の煤を除去す
る。 【解決手段】 ディーゼルエンジン１の排気を酸化触媒
５に導き、排気中のＮＯをＮＯ2 に転換する。次いで、
パティキュレートフィルタ７で排気中の煤を捕集すると
ともに、捕集した排気中のＮＯ2 と煤とを反応させて煤
を燃焼させる。また、反応により生成したＮＯはパティ
キュレートフィルタ下流側に配置したＮＯ X 吸収剤９に
吸収させて排気から除去する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】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。
【０００２】
【従来の技術】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、例えば特開平１−３１８７１５
号公報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Ｎ
Ｏ2 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。
【０００３】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。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】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 ＋２
ＣＯ2 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。
【０００５】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ＳＯ 2 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。
【０００６】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、上記特開平１−３１８７１５号公報の方
法では、酸化触媒で生成されたサルフェートのためにＤ
ＰＦ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。
【０００７】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、ＤＰ
Ｆ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。
【０００８】
【課題を解決するための手段】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、機関排気中の煤を捕集する工程と、生成
された排気中の二酸化窒素と捕集した煤とを反応させ
て、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。
【０００９】捕集された煤は、比較的低温で排気中の二
酸化窒素と反応し、二酸化炭素と一酸化窒素とを生成す
る。また、本発明では、上記反応により生成された一酸
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、請求項１に記載の発明において、前記一酸
化窒素を排気から除去する工程は、排気中の一酸化窒素
を捕集する工程を含んでいる。すなわち、排気中の一酸
化窒素は吸着剤等に吸着され排気から除去される。
【００１０】請求項３に記載の発明によれば、請求項１
に記載の発明において、前記一酸化窒素を排気から除去
する工程は、一酸化窒素を還元して窒素に転換する工程
を含んでいる。すなわち、排気中の一酸化窒素は触媒な
どにより還元され、窒素に転換された後大気に放出され
る。
【００１１】
【発明の実施の形態】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。
【００１２】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。
【００１３】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ＮＯX を吸収するＮＯX 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「ＤＰ
Ｆの再生」という）とＮＯX 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。
【００１４】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。
【００１５】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。
【００１６】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、ＮＯ
2 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。
【００１７】次に、本発明に使用するＮＯX 吸収剤９に
ついて説明する。ＮＯX 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Ｎ
a 、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。ＮＯX 吸収剤９は流入する
排気の空燃比がリーンの場合にはＮＯX を吸収し、酸素
濃度が低下するとＮＯX を放出するＮＯX の吸放出作用
を行う。
【００１８】例えば、担持層上に白金Ｐｔ、バリウムＢ
ａ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ＮＯX （窒素酸化
物）の大部分を占めるＮＯは、白金Ｐｔ上に付着したＯ
2 - またはＯ2-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ＮＯX 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ＮＯX 吸収剤９からＮＯX が放出されることになる。
【００１９】一方、流入排気中に還元剤や未燃ＨＣ、Ｃ
Ｏ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Ｏ2-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ＮＯX 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 、ＣＯ
2 、Ｈ2 Ｏ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。
【００２０】すなわち、ＮＯX 吸収剤９はリーン空燃比
時に流入する排気中のＮＯX を除去し、リッチ空燃比時
には吸収したＮＯX 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、
ＮＯX 吸収剤は排気中のＨＣ、ＣＯ成分とＮＯX 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。
【００２１】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ＮＯX （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。
【００２２】次いで、この排気はＤＰＦ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ＮＯX 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ＮＯX 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ＮＯX とをほとんど含まない状態でＮＯX 吸収剤９か
ら排出される。
【００２３】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、ＮＯX （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、ＮＯX 吸収剤９にはＮＯX 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、ＮＯX 吸収剤９に蓄積されたＮＯX 量が増大すると
ＮＯX 吸収剤９のＮＯX 吸収能力は低下し、大気に放出
されるＮＯX の量が増大する問題が生じる。
【００２４】そこで、本実施形態では定期的にＮＯX 吸
収剤９から吸収したＮＯX を放出させ、ＮＯX 吸収能力
を回復させる操作（「ＮＯX 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、Ｎ
ＯX 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、ＮＯX 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ＮＯX
吸収剤９に到達する。このため、前述したようにＮＯX
吸収剤９からはＮＯX が放出され、排気中のＨＣ、ＣＯ
成分により還元浄化される。
【００２５】本実施形態では、ＥＣＵ２０はＮＯX 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、ＥＣＵ
２０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。
【００２６】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、ＮＯX 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ＮＯX 吸収剤９の再生が完了す
る。
【００２７】なお、ＮＯX 吸収剤９からのＮＯX 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）ＮＯX 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ＮＯX 吸収剤
９に吸収されたＮＯX 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ＮＯX 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、ＮＯX
吸収剤９再生時には０．５秒程度の時間排気空燃比を１
３程度のリッチ空燃比に維持するようにしている。
【００２８】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Ｄ
ＰＦ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ＮＯX 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、ＮＯX 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。
【００２９】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ＤＰＦ
７の再生は数分程度で完了する。なお、前述したように
ＮＯX 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、
ＮＯX 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ＮＯX 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。
【００３０】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ＳＯ
2 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ＮＯX 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ＮＯX 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ＮＯX 吸収剤９を設けるこ
とにより、ＮＯX 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ＮＯX 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。
【００３１】また、ＮＯX 吸収剤内に吸収されたＳＯX
は、排気空燃比がリッチになったときにＮＯX 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ＮＯX 吸収剤内に生成さ
れる硫酸塩はＮＯX により生成される硝酸塩より安定で
あり、通常のＮＯX 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ＮＯX 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ＮＯX 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ＮＯX 吸収剤のＮＯX
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ＮＯX 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ＮＯX 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、ＮＯX のみならずＳＯ3 をもＮＯX 吸収剤９から放
出させることが可能となり、ＮＯX 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。
【００３２】次に、図２から図４を用いて、上記ＤＰＦ
７とＮＯX 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ＮＯX 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。
【００３３】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。
【００３４】ステップ２０３実行後、ついでステップ２
０５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ＮＯX 吸収
剤９の再生操作実行フラグであり、ＮＯX 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ＮＯX 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ＴＡＵ
２１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ＴＡ
Ｕ２１がＱとＴＡＵとから算出される。
【００３５】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ＴＡＵ
２１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ＴＡＵ
２１の量の燃料が噴射され、機関には合計でＴＡＵ＋Ｔ
ＡＵ２１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。
【００３６】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、ＤＰＦ
７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ＮＯX 吸収剤９で吸収される。
【００３７】また、ステップ２０５でＮＯX 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２
０５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ＮＯX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、ＮＯX
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ＮＯX 吸収剤７に吸収されたＮＯX のみならずＳ
Ｏ3 も放出、還元浄化される。このため、ＮＯX 吸収剤
９のＳＯ3 吸収によるＮＯX 吸収能力の低下も解消さ
れ、ＮＯX 吸収剤の完全な再生が行われる。
【００３８】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、ＮＯX 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ＮＯX 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、ＮＯX 吸収剤９は再生されるものの、吸収されたＳ
ＯX は放出されず、ＮＯX の吸収量のみが低下する。
【００３９】また、ステップ２１３でＮＯX 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２
１９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量
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
ＮＯX 吸収剤９で吸収され、排気から除去される。
【００４０】また、ＤＰＦ７とＮＯX 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、ＮＯX 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、Ｎ
ＯX 吸収剤９に吸収されたＳＯ3 がＳＯ2 の形で放出さ
れる。
【００４１】一方、ＤＰＦ７の再生操作実行条件が成立
しておらず、ＮＯX 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、ＮＯX 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
ＮＯX 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。
【００４２】図３は、ＤＰＦ７とＮＯX 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、ＮＯX 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Ｆ
Ｄの値が所定量ＦＤ0 を越えたか否かが判定される。Ｆ
Ｄ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ＴＡ
Ｕ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。
【００４３】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３０９ではカウンタＴＤの値を１カ
ウントアップし、ステップ３１１から３１３では、カウ
ンタＴＤの値が所定値ＴＤ0 を越えるまでフラグＡＤＰ
Ｆの値を１に保持し、ＴＤ＞ＴＤ0 になった場合には燃
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。
【００４４】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。
【００４５】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ＴＤ 0 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
ＮＯX 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Ｎ
ＯX 吸収剤９の再生操作を行う。エンジンからのＮＯX
発生量はエンジンで燃焼した燃料量に比例するため、Ｄ
ＰＦの場合と同様ＮＯX 吸収剤９のＮＯX 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ＮＯX 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ＴＮ
0 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。
【００４６】ステップ３１５から３２７の実行により、
ＮＯX 吸収剤９のＮＯX 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、ＮＯX 吸収剤９の再生操作実行条件が成立すると
ＮＯX 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。
【００４７】なお、燃料積算カウンタＦＮの判定値ＦＮ
0 、ＮＯX 吸収剤再生操作実行時間ＴＮ0 の値はＮＯX
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。
【００４８】図５は、上記図２から図４のルーチンによ
るＤＰＦ７とＮＯX 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、Ｆ
Ｎ0 ＝０．２リットルとすると、ＮＯX 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、ＮＯX 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ＮＯX 吸収剤再生操
作が実行されるようになる。このため、ＮＯX 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ＮＯX 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、ＳＯX の蓄積によりＮＯX
吸収剤の吸収能力が低下することが防止される。
【００４９】なお、上記実施形態ではＤＰＦ７とＮＯX
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ＮＯX 吸収
剤９のＮＯX 吸収量とを推定しているが、煤の捕集量や
ＮＯX吸収量にかかわらず一定時間毎にそれぞれＤＰＦ
７とＮＯX 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。
【００５０】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ＮＯX を吸収し、酸素濃
度低下時に吸収したＮＯX を放出、還元浄化するＮＯX
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ＮＯX 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ＮＯX 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ＮＯX
吸収剤９の代わりにＤＰＦ７下流側の排気通路にＮＯX
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。
【００５１】ＮＯX 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。ＮＯX 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
ＮＯX をＨＣ、ＣＯと選択的に反応させることにより、
排気中のＮＯX を還元してＮ2 に転換する機能を有すし
ている。すなわち、ＮＯX 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ＮＯX を還元浄
化する。
【００５２】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Ｄ
ＰＦ７を通過するＮＯX 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、ＮＯX 選択還元触媒でＮ
ＯX 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。
【００５３】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Ｈ
Ｃ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ＮＯX 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ＮＯX 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ＮＯX 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ＮＯX 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ＮＯX 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。
【００５４】
【発明の効果】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
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、ＮＯX 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。
【図面の簡単な説明】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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４】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５】図１の実施形態におけるＤＰＦ再生とＮＯX 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…ＮＯX 吸収剤 ２０…エンジン制御回路（ＥＣＵ）
フロントページの続き (72)発明者 近藤 拓也 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項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、 機関排気中の煤を捕集する工程と、 生成された排気中の二酸化窒素と捕集した煤とを反応さ
    せて、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. 【請求項２】 前記一酸化窒素を排気から除去する工程
    は、排気中の一酸化窒素を捕集する工程を含む請求項１
    に記載の排気浄化方法。
  3. 【請求項３】 前記一酸化窒素を排気から除去する工程
    は、一酸化窒素を還元して窒素に転換する工程を含む請
    求項１に記載の排気浄化方法。
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