JPWO2013005340A1 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

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る、内燃機関の排気浄化装置を提供する。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する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。

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、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いことを特徴とする、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、還元雰囲気にした排気ガスを通過させると、大粒径化してＤＰＦに堆積したＣａＳＯ_４は、還元雰囲気中で、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の表面上の固体酸と結合し、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、ＣａＳＯ_４となってＤＰＦから放出される。この過程を経て放出されたＣａＳＯ_４は、細粒径化されているため、最初の大粒径化したＣａＳＯ_４が、細粒径化されたＣａＳＯ_４となってＤＰＦから放出され、ＤＰＦをすり抜けて排出される。したがって、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る、内燃機関の排気浄化装置が提供される。

請求項２に記載の発明によれば、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ることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置、が提供される。

すなわち、請求項２の発明では、請求項１で構成したＤＰＦに対してアッシュ再生運転を行い、アッシュ再生運転が、ＤＰＦの温度を上昇させる制御と、ＤＰＦの温度を上昇させる制御の間の、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、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るので、大粒径化したＣａＳＯ_４は、ストイキ又は空燃比リッチ雰囲気中のＨＣ、ＣＯ等によって還元されてＣａＳＯ_３となり、ＣａＳＯ_３のＣａイオンがＤＰＦの表面上の固体酸と結合して、ＤＰＦの表面上に原子状に分散し、次に、空燃比リーン雰囲気に変化させると、リーン雰囲気中にはＳＯ_４が存在するので、ＤＰＦの表面上のＣａは、リーン雰囲気中のＳＯ_４と結合して、ＣａＳＯ_４となってＤＰＦから放出される。この過程を経て放出されたＣａＳＯ_４は、細粒径化されているため、最初の、大粒径化してＤＰＦに堆積したＣａＳＯ_４が、最後に、細粒径化されたＣａＳＯ_４となってＤＰＦから放出され、ＤＰＦをすり抜けて排出される。したがって、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る、内燃機関の排気浄化装置が提供される。

各請求項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る、内燃機関の排気浄化装置を提供するという、共通の効果を奏する。

図１は、本発明をＤＰＦ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、本発明の原理を説明する図であり、（ａ）は大粒径化したアッシュの細粒径化を説明する図であり、（ｂ）は細粒径化された粒子の放出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１は、本発明の基本構成を示す図であり、ＤＰＦ２の表面上に、詳細にはＤＰＦ２のＤＰＦ基材５（図２参照）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、ＤＰＦ内にアッシュ３が堆積し、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。

本発明では、ＤＰＦ内に堆積したアッシュ３を細粒径化するので、細粒径化粒子４が、ＤＰＦのフィルタ隙間を通り抜け、排気とともに排出される。

本発明を、図２によって詳しく説明すると、まず、図２（ａ）に示すように、ＤＰＦを使用し続けた場合、ＰＭ再生運転を行っても、アッシュ３の粒子が、０．１〜０．５ミクロン程度の大きさに大粒径化する。このときアッシュ３の粒子は、硫酸カルシウム（ＣａＳＯ_４）が主成分であるが、図２（ａ）において雰囲気が還元雰囲気、例えばストイキ雰囲気又はリッチ雰囲気の場合には、アッシュ３の粒子は、亜硫酸カルシウム（ＣａＳＯ_３）に還元される。したがって、ＤＰＦ基材５の上にＳＯ_３以上の酸強度の固体酸６が存在する場合には、アッシュ粒子中のカルシウム（Ｃａ）が、ＳＯ_３より強い酸である固体酸６と結合し、アッシュ３は分解する。このときＣａは、固体酸６上に原子状に分散する。次に、図２（ｂ）に示すように、固体酸６上に原子状に分散したＣａが、ＳＯ_４を含んだ雰囲気に晒されると、例えば、内燃機関からの排気中には、通常ＳＯｘが含まれており、リーン雰囲気の中ではＳＯ_４が多く含まれるため、リーン雰囲気に晒されると、固体酸６上に原子状に分散したＣａが、固体酸６よりも強い酸であるＳＯ_４と結合して再度硫酸塩化し、硫酸カルシウム（ＣａＳＯ_４）となり、固体酸上から放出される。このときの硫酸カルシウム（ＣａＳＯ_４）は、大きさが１ナノメートル以下の細粒径の粒子となっており、この細粒径化粒子は、エアロゾルとなってＤＰＦをすり抜け、その結果、ＤＰＦに堆積したアッシュが除去される。

この場合、ＤＰＦ基材５の上に塗布する固体酸６の酸強度は、ＳＯ_３の酸強度よりも大きく、ＳＯ_４の酸強度よりも小さくなければならない。固体酸６の酸強度が、ＳＯ_３の酸強度以下の場合には、ＣａＳＯ_３に還元されたアッシュ粒子中のＣａが、固体酸６と結合せず、したがってアッシュ３は分解せず、また、固体酸６がＳＯ_４の酸強度以上の超強酸である場合には、雰囲気中にＳＯ_４が存在しても、Ｃａが固体酸６から放出されないからである。

したがって、ＤＰＦ基材５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、ＤＰＦ内の大粒径化したアッシュが、完全に除去され、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

Claims (2)

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、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いことを特徴とする、
   内燃機関の排気浄化装置。
2. 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ることを特徴とする、
   請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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