JPWO2013005342A1 - 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したＤＰＦにおいて、先にＰＭ再生運転を行い、次にアッシュ再生運転を行う。

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。

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、アッシュを分解することができないという問題がある。

本発明は、この問題を解決するために、アッシュ再生運転を行うに先立ち、ＰＭ再生運転を行うことによって、ＤＰＦ内に堆積したＰＭを燃焼させ、除去するものである。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、アッシュ再生運転が、効果的に進行する。

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く、更に、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り、アッシュ再生運転を行う前に、ＰＭ再生運転を行うことを特徴とする、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、アッシュ再生運転を行う前に、ＰＭ再生運転を行う。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、アッシュ再生運転が効果的に進行し、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効果を奏する。

図１は、本発明を、本発明のＤＰＦに適用した実施形態における、アッシュの、固体酸への接触を説明する図である。
図２は、本発明を、本発明のＤＰＦに対して実施する前の、アッシュの存在状態を説明する図である。
図３は、本発明を、本発明のＤＰＦに対して適用した、別の実施形態における、アッシュの、固体酸への接触を説明する図である。
図４は、硫黄被毒したＮＯｘ吸蔵還元触媒（以下「ＮＳＲ」という）の再生（以下「Ｓ再生」という）運転条件とアッシュ再生運転条件との類似点と相違点とを説明する図であり、（ａ）は、Ｓ再生における雰囲気を説明する図であり、（ｂ）は、アッシュ再生における雰囲気を説明する図である。
図５は、本発明のアッシュ再生の、ＰＭ再生及びＳ再生とのタイミング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２は、本発明を、本発明のＤＰＦに対して実施する前の、アッシュの存在状態を説明する図である。通常、アッシュは、図２のように、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、このままでは、アッシュを分解することができない。

図１は、本発明を、本発明のＤＰＦに適用した実施形態における、アッシュの、固体酸への接触を説明する図である。ＤＰＦの表面上に固体酸をコーティングした状態を、詳細に説明すると、ＤＰＦ基材５の上に担体６１が分布し、担体６１の上に、固体酸の酸点６２が点在している。還元雰囲気中で還元されてＣａＳＯ_３となったアッシュのＣａイオンは、固体酸の酸点６２と結合して、ＤＰＦの表面上に原子状に分散する。

したがって、本発明において、アッシュ再生運転を行う前にＰＭ再生運転を行うと、図１に示すように、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６２と結合することができる。したがって、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。

図４は、例として、ＮＳＲとＤＰＦとを分離して設置し、ＮＳＲの下流にＤＰＲを備えた場合において、ＮＳＲのＳ再生運転条件とアッシュ再生運転条件との類似点と相違点とを説明する図であり、（ａ）は、Ｓ再生における雰囲気を説明する図であり、（ｂ）は、アッシュ再生における雰囲気を説明する図である。ＮＳＲの入口の状態をＩＮで示し、ＮＳＲの出口の状態をＯＵＴで表す。すなわち、ＯＵＴは、ＤＰＲの入口の状態を表している。符号２０は還元剤であり、（ａ）では還元剤２０を注入することを示している。

すなわち、Ｓ再生の条件は、温度は６００℃以上であり、かつ、空燃比がリッチであることが必要であり、還元剤の存在が必須である。制御トリガーは、Ｓ堆積量である。

一方、アッシュ再生の条件は、温度は６００℃以上であり、かつ、還元雰囲気であることが必要であり、無酸素雰囲気であれば、還元剤はあってもよいが必要ではない。制御トリガーは、アッシュ堆積量である。

したがって、アッシュ再生の条件とＳ再生の条件とを比較すると、アッシュ再生とＳ再生のトリガータイミングが一致する場合には、Ｓ再生を実施して、アッシュ再生を省略することができる。

なお、ＰＭ再生条件は、温度は６００℃以上であり、かつ、空燃比がリーンであることが必要であり、還元剤は必要ない。制御トリガーは、ＰＭ堆積量である。

これらの制御タイミングの関係の一例を、図５に示す。図５は、ＰＭ再生と、アッシュ再生と、Ｓ再生と、のそれぞれの必要なタイミングを、走行距離に対して例示したものであり、丸印が必要なタイミングを表し、丸印のうち実施するものを黒く塗りつぶしてある。ＰはＰＭ再生、Ａはアッシュ再生、ＳはＳ再生である。図５のＩで示したタイミングでは、まずＰＭ再生を行い、次にＳ再生を行う。図５のＩＩで示したタイミングでは、まずＰＭ再生を行い、次にアッシュ再生を行う。図５のＩＩＩで示したタイミングでは、ＰＭ再生と、アッシュ再生と、Ｓ再生と、の全てのトリガータイミングが一致しているが、この場合は、まずＰＭ再生を行い、次にＳ再生を行えばよく、アッシュ再生制御は行わなくても、アッシュは、Ｓ再生運転によってＤＰＦから除去される。

図３は、本発明を、本発明のＤＰＦに対して適用した別の実施形態における、アッシュの、固体酸への接触を説明する図である。すなわち、本発明において、アッシュ再生運転を行う前に、ＰＭ再生運転を行った場合、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の表面上の固体酸の酸点６２に接触するようになるが、図３に示すように、アッシュが還元雰囲気に晒され、また、アッシュが固体酸の酸点６２と接触すれば、ＰＭを完全に除去しない状態で、ＰＭが残存していてもよく、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。

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
１０ ＰＭ
２０ 還元剤
６１ 担体
６２ 固体酸点
Ａ アッシュ再生
Ｐ ＰＭ再生
Ｓ Ｓ再生

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、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、
   更に、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り、
   前記アッシュ再生運転を行う前に、ＰＭ再生運転を行うことを特徴とする、
   内燃機関の排気浄化装置。

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