JPWO2013005334A1 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

内燃機関の排気系にＣｅ−Ａｇ系触媒から成るＤＰＦを配置した、内燃機関の排気浄化装置において、ＤＰＦへのアッシュの堆積を抑制し、長期にわたって圧損の増加や、ＰＭ再生温度の増加、また、燃費の低下を抑制することができ、更に、アッシュの除去を効率的に行うことができる、内燃機関の排気浄化装置を提供する。Ｃｅ−Ａｇ系触媒から成るＤＰＦの表面上に、酸強度がＳＯ３の酸強度よりも大きくＳＯ４の酸強度よりも小さい固体酸をコーティングしたＤＰＦにおいて、アッシュ再生運転の、ＤＰＦの温度を上昇させる制御を、ＰＭ再生運転に引き続きいて更にＤＰＦの温度を上昇させる制御とする。

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

内燃機関の排気ガス中の粒子状物質（以下「ＰＭ」という）の粒子数を低減するためには、内燃機関の排気ガス通路にディーゼルパティキュレートフィルタ（以下「ＤＰＦ」という）を設置して、排気中のＰＭを捕集、除去することが一般に行われている。

この場合、ＤＰＦ内に捕集されたＰＭは次第に堆積していくので、定期的に或いはＤＰＦの性能低下を検知して、ＤＰＦ内に捕集されたＰＭを燃焼除去する再生（以下「ＰＭ再生」という）運転を行う。

ＰＭ再生運転は、通常、ＤＰＦに還元剤、例えばハイドロカーボン（ＨＣ）等、を供給しつつ、ＤＰＦを加熱することによって行われる。

ＤＰＦによって排気中のＰＭを捕集し、ＤＰＦ内に捕集されたＰＭを燃焼除去するＰＭ再生運転を行う構成に対しては、その性能向上やコスト低減のため、従来から様々な改良が提案されている。

しかし、従来のＤＰＦにおいては、ＤＰＦの使用を継続していると、ＰＭ再生運転を行っても、次第にＤＰＦの圧力損失が増加し、また、ＰＭ再生温度を次第に増加させなければ十分な再生が行われなくなる、という問題があり、燃費が悪化する。この問題は、ＤＰＦ内部にアッシュが堆積することが原因である。

アッシュは、エンジンのシリンダー内部に混入したエンジンオイルが燃焼することにより生成し、生成したアッシュ粒子は、ＤＰＦ内でＰＭに覆われる。ＰＭに覆われたアッシュ粒子は、ＤＰＦ内でＰＭ再生運転時の高温条件に晒され、アッシュ粒子を覆っていたＰＭが燃焼除去される。アッシュの堆積は、このＰＭが燃焼除去されたアッシュ粒子に、更に熱が加わることによって、アッシュ粒子が凝集し、大粒径化するために発生するものである。

しかし、このようなアッシュの堆積に対しては、今まで有効な解決手段がなく、ＤＰＦにアッシュが堆積することによる影響を極力小さくするために、例えば、あらかじめ大容量のＤＰＦを設置しておくという対策がとられていた。

すなわち、従来のＤＰＦに対する改良や、ＤＰＦの再生運転に対する改良は、ＤＰＦの捕集効率の改善や、ＰＭ再生運転の性能向上を目的とするものであり、アッシュの堆積に対するものではない。ＰＭ再生運転の性能向上を目的とするものとしては、例えば特許文献１に示された発明があり、特許文献１には、比較的低温でＰＭを燃焼させることができるＤＰＦの構成が示されている。

特許文献１に示されたＤＰＦの構成は、ＤＰＦ及びこれを用いた排ガス浄化方法において、ＤＰＦに活性金属を担持した固体超強酸からなる触媒を、フィルタ表面に保持することを特徴とするものである。

すなわち、特許文献１の発明は、活性金属を担持した固体超強酸により、ＰＭの燃焼温度を低下させ、従来よりも低温でＤＰＦを、できれば連続的に再生すると共に、ＣＯ、ＨＣ、ＮＯ、ＮＯ_２をも同時に除去することができるというものである。

したがって、特許文献１の発明は、ＰＭ再生運転の性能向上を目的としたものであり、アッシュの堆積に対応するものではなく、ＤＰＦの使用を継続していると、ＰＭ再生運転を行っても、次第にＤＰＦの圧力損失が増加し、また、ＰＭ再生温度を次第に増加させなければ十分な再生が行われなくなり、燃費が悪化する、という問題を解決するものではない。

また、特許文献１の発明に類似する触媒構成を開示したものとして、特許文献２の発明があるが、特許文献２には、ディーゼルエンジン排ガス浄化装置用触媒として、白金、パラジウム及びロジウムから選ばれる少なくとも１種の貴金属と、固体の超強酸とを有する触媒を利用すると、ディーゼルエンジン排ガス中の微粒子物質に含まれるＳＯＦ（Ｓｏｌｕｂｌｅ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｆｒａｃｔｉｏｎ）や未燃焼炭化水素などを低温域から浄化することができ、高温域においても二酸化硫黄の酸化抑制効果を示すと記載されており、特許文献２の発明は、特許文献１の発明と類似する効果を狙ったものであり、また、ＤＰＦに関するものではない。したがって、ＤＰＦへのアッシュの堆積に対応するものではなく、ＤＰＦの使用を継続していると、ＰＭ再生運転を行っても、次第にＤＰＦの圧力損失が増加し、また、ＰＭ再生温度を次第に増加させなければ十分な再生が行われなくなり、燃費が悪化する、という問題を解決するものではない。

特開２００６−２８９１７５号公報 特開平１０−０３３９８５号公報

本発明は、ＤＰＦへのアッシュの堆積を抑制し、長期にわたって圧損の増加や、ＰＭ再生温度の増加、また、燃費の低下を抑制することができる、内燃機関の排気浄化装置を提供し、更に、アッシュの堆積の抑制を効率的に行うことを目的としている。

すなわち、本発明は、ＤＰＦに堆積したアッシュを細粒径化して排出し、ＤＰＦを再生（以下「アッシュ再生」という）する構成を提供し、この構成により、長期にわたって圧損の増加や、ＰＭ再生温度の増加、また、燃費の低下を抑制することができ、更に、アッシュの除去を効率的に行うことができるという有利な効果を奏する、画期的なＤＰＦを提供するものである。

本発明によれば、堆積したアッシュを細粒径化させて排出することができるので、更に付随する効果として、ＤＰＦの設置当初から従来よりも小型のＤＰＦを使用することができ、ＤＰＦの製造コストの低減のみならず、ＰＭ再生運転のエネルギーコストを低減することもできる。また、小型のＤＰＦを使用することができるということは、ＤＰＦの車両への搭載スペースを低減することができ、当該ＤＰＦを搭載した車両の重量を低減することができるということである。

本願の発明者は、ＤＰＦ内部へのアッシュの堆積の問題を研究し、アッシュの堆積原因を分析して、アッシュの主成分が、エンジンオイル中に含まれるカルシウム（Ｃａ）と排気中のＳＯｘとがイオン結合した、ＣａＳＯ_４が主体であり、Ｃａ塩は融点が高いため、排気中ではアッシュが固体としてＤＰＦに流入し、凝集して、大粒径化するという知見を得た。

更に、本願の発明者は、アッシュの大きさはサブミクロンのオーダーであり、これをナノミクロンのオーダーまで細粒径化すると、アッシュがＤＰＦをすり抜けることを、実験により確認した。

更に、本願の発明者は、サブミクロンの大きさに大粒径化したＣａＳＯ_４を、還元雰囲気におくと、ＣａＳＯ_４のＳＯ_４が還元されてＳＯ_３となり、Ｃａとの結合が弱まること、及び、このときＤＰＦの表面上にＳＯ_３よりも強い酸が存在すると、ＣａＳＯ_３のＣａとＳＯ_３との結合が切断され、ＣａイオンがＤＰＦの表面上のＳＯ_３よりも強い酸の上に原子状に分散して結合するということを、実験により確認した。

更に、本願の発明者は、ＤＰＦの表面上のＳＯ_３よりも強い酸と結合したＣａイオンは、ＤＰＦの表面上のＳＯ_３よりも強い酸と比べて、更に強い酸が雰囲気中に存在すると、雰囲気中の更に強い酸と結合して、ＤＰＦから放出され、ＤＰＦをすり抜けて排出されるというということを、実験により確認した。

以上を整理すると、ＤＰＦの表面上のＳＯ_３よりも強い酸として、この酸の酸強度を、ＳＯ_３よりも強くＳＯ_４よりも弱い酸強度とすれば、サブミクロンの大きさに大粒径化してＤＰＦ内に堆積したＣａＳＯ_４は、還元雰囲気において、ＣａＳＯ_４のＳＯ_４が還元されてＣａＳＯ_３となり、ＣａＳＯ_３のＣａイオンが、ＤＰＦの表面上の酸と結合し、ＤＰＦの表面上に原子状に分散する。次に、雰囲気中にＳＯ_４を存在させれば、ＤＰＦの表面上のＣａは、雰囲気中のＳＯ_４と結合して、サブナノメートルの大きさのＣａＳＯ_４となってＤＰＦから放出される。

排気ガスの雰囲気が、ストイキ又はリッチ雰囲気である場合には、上述の還元雰囲気であり、リーン雰囲気である場合には、リーン雰囲気にはＳＯ_４が含まれている。そこで、上述のＤＰＦに対して、雰囲気をストイキ又はリッチ雰囲気にする制御と、次にリーン雰囲気にする制御と、を行えば、ストイキ又はリッチ雰囲気において、ＤＰＦに堆積したアッシュのＣａイオンが、ＤＰＦの表面上に原子状に分散し、次に次にリーン雰囲気において、ＤＰＦの表面上のＣａが、リーン雰囲気中のＳＯ_４と結合してＤＰＦから放出され、サブナノメートルの大きさに細粒径化したＣａＳＯ_４となってＤＰＦをすり抜け、排出される。

すなわち、以上の過程では、最初の、サブミクロンの大きさに大粒径化してＤＰＦに堆積したＣａＳＯ_４が、最終的に、再びＣａＳＯ_４となってＤＰＦから放出されるが、放出されるＣａＳＯ_４は、サブナノメートルの大きさに細粒径化されており、ＤＰＦをすり抜けて排出される。

ところで、以上のアッシュ再生運転を行う場合、通常、アッシュは、ＤＰＦ内に堆積したＰＭの中に埋没した状態にある。したがって、この状態でアッシュ再生を行おうとしても、サブミクロンの大きさに大粒径化してＤＰＦ内に堆積したＣａＳＯ_４が還元雰囲気と接触することができないために、ＣａＳＯ_４のＳＯ_４が還元されない。或いは、還元されてＣａＳＯ_３となったアッシュも、ＤＰＦの表面上の固体酸に接触することができない。したがって、アッシュを効果的に分解するためには、ＰＭ再生運転によってＰＭを燃焼、除去した後、アッシュ再生運転を行うことが好ましい。

アッシュ再生運転とＰＭ再生運転とは、それぞれ、アッシュの堆積状況と、ＰＭの堆積状況と、に応じて行うが、通常、アッシュ再生運転の頻度は、ＰＭ再生運転の頻度よりも少なくてよく、また、アッシュ再生運転の温度とＰＭ再生運転の温度とは、ともに、約６００℃であるので、図５に示すように、アッシュ再生運転は、ＰＭ再生運転の温度上昇を利用して、ＰＭ再生運転に引き続いて実施するのが効率的である。

一方、ＤＰＦとして、セリア−銀系（以下「Ｃｅ−Ａｇ系」という）の触媒から成るＤＰＦを利用すると、ＰＭ再生運転における温度上昇を、従来のＰＭ再生運転における温度上昇よりも低くすることができ、約３００℃〜約５００℃でＰＭを燃焼、除去することができる。

従って、ＤＰＦとして、Ｃｅ−Ａｇ系の触媒から成るＤＰＦを利用した場合には、ＰＭ再生運転における温度上昇とアッシュ再生運転の温度とが一致しないという問題が生じる。

本発明は、この問題を解決するために、アッシュ再生運転の実施時期と、ＰＭ再生運転の実施時期とを、良好に関係付けるものである。

請求項１に記載の発明によれば、内燃機関の排気系にＤＰＦを配置した、内燃機関の排気浄化装置であって、ＤＰＦが、Ｃｅ−Ａｇ系触媒から成るＤＰＦであり、更に、ＤＰＦが、表面上に固体酸をコーティングしたＤＰＦであり、固体酸の酸強度が、ＳＯ_３の酸強度よりも大きくＳＯ_４の酸強度よりも小さく、ＤＰＦの温度を上昇させてＤＰＦ内に堆積したＰＭを燃焼、除去する、ＰＭ再生運転の制御と、ＤＰＦ内に堆積したアッシュを除去する、アッシュ再生運転の制御と、を備え、アッシュ再生運転の制御が、ＤＰＦの温度を上昇させる制御と、ＤＰＦ内の雰囲気の空燃比の制御と、を備え、ＤＰＦ内の雰囲気の空燃比の制御が、ＤＰＦの温度を上昇させる制御の間に、先にストイキ又は空燃比リッチ雰囲気とし、次に空燃比リーン雰囲気に変化させる制御であり、アッシュ再生運転の、ＤＰＦの温度を上昇させる制御が、ＰＭ再生運転に引き続き、ＰＭ再生運転のＤＰＦの温度から更に温度を上昇させる制御である、内燃機関の排気浄化装置が提供される。

すなわち、請求項１の発明では、ＤＰＦが、Ｃｅ−Ａｇ系触媒から成るＤＰＦであり、更に、ＤＰＦの表面上に、ＳＯ_３よりも強くＳＯ_４よりも弱い酸強度の固体酸を塗布することによって、ＤＰＦを構成する。このように構成したＤＰＦに対して、ＰＭの堆積状態、アッシュの堆積状態に応じて、ＰＭ再生運転と、アッシュ再生運転と、を行うが、Ｃｅ−Ａｇ系触媒から成るＤＰＦのＰＭ再生運転の温度は、アッシュ再生運転の温度よりも低いので、アッシュ再生運転を行う場合には、ＰＭ再生運転に引き続いて行うものとし、ＤＰＦの温度を、ＰＭ再生運転の温度よりも更に上昇させる制御を行う。

したがって、ＰＭの中に埋没した状態にあった大粒径化したＣａＳＯ_４が、還元雰囲気に晒されるようになり、また、還元されてＣａＳＯ_３となったアッシュが、ＤＰＦの表面上の固体酸に接触するようになり、ＰＭ再生運転に続くアッシュ再生運転が、効果的に進行する。この結果、アッシュが完全に除去され、長期にわたって圧損の増加や、ＰＭ再生温度の増加、また、燃費の低下を抑制することができ、更に、アッシュの除去を効率的に行うことができる、内燃機関の排気浄化装置が提供される。

請求項１に記載の発明によれば、アッシュ再生の構成が提供され、アッシュ再生運転においてアッシュが完全に除去され、長期にわたって圧損の増加や、ＰＭ再生温度の増加、また、燃費の低下を抑制することができ、更に、アッシュの除去を効率的に行うことができる、内燃機関の排気浄化装置を提供するという効果を奏する。

図１は、本発明を内燃機関の排気浄化装置に適用した場合の、実施形態の概略構成を説明する図である。
図２は、本発明を内燃機関の排気浄化装置に適用した場合の、制御のフローチャートである。
図３は、本発明を内燃機関の排気浄化装置に適用した場合の、ＤＰＦの背圧を説明する図である。
図４は、本発明を内燃機関の排気浄化装置に適用した場合の、装置配置の実施形態の概略構成を説明する図である。
図５は、本発明の発明者による従来の発明を内燃機関の排気浄化装置に適用した場合の、実施形態の概略構成を説明する図である。

以下、添付図面を用いて本発明の実施形態について説明する。なお、複数の添付図面において、同一又は相当する部材には、同一の符号を付している。

図４は、本発明の基本的な装置配置を示す図であり、Ｃｅ−Ａｇ系触媒から成るＤＰＦ２の表面上に、詳細にはＤＰＦ２のＤＰＦ基材の表面上に、酸強度がＳＯ_３以上でＳＯ_４以下に相当する固体酸を塗布する。内燃機関の排気がＤＰＦ２に導かれ、排気中のＰＭはＤＰＦ２によって捕集、除去され、ＰＭの除去された排気が排出される。ＤＰＦに捕集されたＰＭは次第に堆積していくので、定期的に或いはＤＰＦの性能低下を検知して、ＤＰＦ内に捕集されたＰＭを燃焼除去するＰＭ再生運転を行う。

しかし、ＰＭ再生運転を繰り返し行っていると、ＤＰＦ２内にアッシュ３が堆積し、ＰＭ再生運転を行っても、次第にＤＰＦ２の圧力損失が増加し、また、ＰＭ再生温度を次第に増加させなければ十分な再生が行われなくなる、という問題があり、燃費が悪化する。

そこで、本発明では、ＤＰＦ２内に堆積したアッシュ３を細粒径化して排出する、アッシュ再生運転を更に行うが、ＤＰＦとして、Ｃｅ−Ａｇ系の触媒から成るＤＰＦを利用した場合には、ＰＭ再生運転における温度上昇とアッシュ再生運転の温度とが一致しないという問題が生じるため、本発明は、アッシュ再生運転の実施時期と、ＰＭ再生運転の実施時期とを、良好に関係付けるものである。

図１は、本発明のＰＭ再生運転とアッシュ再生運転の、実施タイミング、温度制御、雰囲気の制御、の関係を示す図である。アッシュ再生運転は、通常、ＰＭ再生運転よりも実施頻度が低い。また、Ｃｅ−Ａｇ系触媒から成るＤＰＦにおいては、ＰＭ再生運転に必要な温度Ｔ_１がアッシュ再生運転に必要な温度Ｔ_２よりも低く、Ｔ_１は、約３００℃〜約５００℃であり、Ｔ_２は、約６００℃である。

そこで、本発明では、ＰＭ再生運転を数回実施した後、アッシュ再生運転が必要なタイミングにおいて、アッシュ再生運転を、ＰＭ再生運転に引き続き実施し、ＰＭ再生運転温度Ｔ１から更にアッシュ再生運転Ｔ２に上昇させる温度制御を行う。

このようにすると、ＰＭ再生運転を比較的低温で行うことができ、ＰＭの中に埋没した状態にあった大粒径化したＣａＳＯ_４が、還元雰囲気に晒されるようになり、また、還元されてＣａＳＯ_３となったアッシュのＣａイオンが、ＤＰＦの表面上の固体酸の酸点と結合することができ、更に、ＰＭ再生運転に続いてアッシュ再生運転が、アッシュ再生運転に必要な温度で効率的に進行する。

図２は、本発明における温度制御を、フローチャートに示したものであり、ステップ１００でＰＭ再生が必要かどうかを判定する。判定は、例えば、ＤＰＦの性能低下を検知することによって行う。ＰＭ再生が必要である場合には、ステップ２００へ進み、アッシュ再生が必要かどうかを判定する。

ステップ２００での判定を、図３によって説明すると、図３は、本発明におけるＤＰＦの背圧を説明する図であり、図２のステップ２００におけるアッシュ再生が必要かどうかの判定は、例えば図３のように、ＤＰＦの背圧に、背圧制御の上限値Ｐ_Ｈを設定しておき、ＤＰＦの背圧がＰ_Ｈに接近した場合に、アッシュ再生が必要であると判定する。

図２において、ステップ２００でアッシュ再生が必要ないと判定した場合には、ステップ３５０に進み、ＰＭ再生運転の温度Ｔ_１までＤＰＦの温度を上昇させ、ＰＭ再生運転を行って、ＤＰＦの再生運転を終了する。

ステップ２００でアッシュ再生が必要であると判定した場合には、ステップ３００に進み、ＰＭ再生運転の温度Ｔ_１までＤＰＦの温度を上昇させて、ＰＭ再生運転を行い、更にステップ４００に進み、アッシュ再生運転の温度Ｔ_２までＤＰＦの温度を更に上昇させて、アッシュ再生運転を行い、ＤＰＦの再生運転を終了する。

したがって、アッシュ再生運転を行わない場合は、図３に示すＤＰＦの背圧は、曲線Ｄ_Ｐ１のように変化するが、本発明のアッシュ再生運転を行う場合は、ＤＰＦの背圧は、曲線Ｄ_Ｐ２のように変化する。

図５は、従来の材料からなるＤＰＦに対して、本発明の固体酸を塗布し、アッシュ再生運転を行う場合の、ＰＭ再生運転とアッシュ再生運転との実施タイミング、温度制御、雰囲気の制御、の関係の一例を示したものであり、この場合には、アッシュ再生運転は、ＰＭ再生運転の温度上昇を利用して、ＰＭ再生運転に引き続いて実施するのが効率的である。

以上のように、Ｃｅ−Ａｇ系触媒から成るＤＰＦのＤＰＦ基材の上に、酸強度がＳＯ_３以上、ＳＯ_４以下に相当する固体酸を塗布し、アッシュ再生運転中に、ＤＰＦ内の雰囲気の空燃比を、先にストイキ又は空燃比リッチ雰囲気とし、次に空燃比リーン雰囲気に変化させるように制御するとともに、ＰＭ再生運転を数回実施した後、アッシュ再生運転が必要なタイミングにおいて、アッシュ再生運転を、ＰＭ再生運転に引き続き実施し、ＤＰＦの温度を、ＰＭ再生運転温度Ｔ_１から更にアッシュ再生運転Ｔ_２に上昇させる制御を行うと、ＰＭの中に埋没した状態にあった大粒径化したＣａＳＯ_４が、還元雰囲気に晒されるようになり、また、還元されてＣａＳＯ_３となったアッシュのＣａイオンが、ＤＰＦの表面上の固体酸の酸点と結合することができ、ＰＭ再生運転に続くアッシュ再生運転が、ＰＭ再生運転の温度上昇を有効に利用して、効率的に進行する。したがって、いつまでも性能が低下しないＤＰＦを備えた内燃機関の排気浄化装置を構成することができ、ＤＰＦの性能を、長期間にわたって飛躍的に向上させることができるという、有利な効果を奏する。更に、この効果に付随する更なる効果として、ＤＰＦの設置当初から、従来よりも小型のＤＰＦを使用することができ、ＤＰＦの製造コストの低減のみならず、ＰＭ再生運転のエネルギーコストも低減することができる。更に、小型のＤＰＦを使用することができるということは、ＤＰＦの車両への搭載スペースを低減することができ、当該ＤＰＦを搭載した車両の重量を低減することができるという効果があることにも注目すべきである。

１ 内燃機関
２ ＤＰＦ
３ アッシュ
４ 細粒径化粒子
５ ＤＰＦ基材
６ 固体酸
Ｔ_１：Ｃｅ−Ａｇ系触媒から成るＤＰＦのＰＭ再生温度
Ｔ_２：アッシュ再生温度、又は従来のＤＰＦのＰＭ再生温度
Ｐ_Ｈ：ＤＰＦの背圧制御の背圧上限値
Ｄ_Ｐ１：アッシュ再生運転制御を行わない場合のＤＰＦの背圧
Ｄ_Ｐ２：アッシュ再生運転制御を行う場合のＤＰＦの背圧

Claims (1)

1. 内燃機関の排気系にＤＰＦを配置した、内燃機関の排気浄化装置であって、
   前記ＤＰＦが、Ｃｅ−Ａｇ系触媒から成るＤＰＦであり、
   更に、前記ＤＰＦが、表面上に固体酸をコーティングしたＤＰＦであり、
   前記固体酸の酸強度が、ＳＯ_３の酸強度よりも大きくＳＯ_４の酸強度よりも小さく、
   前記ＤＰＦの温度を上昇させて前記ＤＰＦ内に堆積したＰＭを燃焼、除去する、ＰＭ再生運転の制御と、
   前記ＤＰＦ内に堆積したアッシュを除去する、アッシュ再生運転の制御と、を備え、
   前記アッシュ再生運転の制御が、
   ＤＰＦの温度を上昇させる制御と、
   ＤＰＦ内の雰囲気の空燃比の制御と、を備え、
   前記ＤＰＦ内の雰囲気の空燃比の制御が、前記ＤＰＦの温度を上昇させる制御の間に、先にストイキ又は空燃比リッチ雰囲気とし、次に空燃比リーン雰囲気に変化させる制御であり、
   前記アッシュ再生運転の、ＤＰＦの温度を上昇させる制御が、ＰＭ再生運転に引き続き、ＰＭ再生運転のＤＰＦの温度から更に温度を上昇させる制御である、
   内燃機関の排気浄化装置。

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