WO2004018850A1

WO2004018850A1 - ディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置および排気ガス浄化方法

Info

Publication number: WO2004018850A1
Application number: PCT/JP2003/010751
Authority: WO
Inventors: Masayuki Kamikawa; Hidehiro Iizuka; Masato Kaneeda; Kazutoshi Higashiyama; Yuichi Kitahara; Osamu Kuroda
Original assignee: Hitachi, Ltd.
Priority date: 2002-08-26
Filing date: 2003-08-26
Publication date: 2004-03-04
Also published as: JP2009092076A; EP1544428A1; US20060107649A1; JPWO2004018850A1

Abstract

ディーゼルエンジンの排気ガス流路に、排気の流れの上流から、ＮＯｘ吸着還元型触媒、排気ガス中の粒子状物質を酸化除去せしめるディーゼルパティキュレートフィルタを順に設置する。このように配置することで、触媒温度が上がりやすくなり、また温度及び雰囲気の精密な制御が可能になるため、十分なＮＯｘ浄化性能を得ることができるようになり、しかも、ＮＯｘ吸着還元型触媒の使用により、捕捉ＮＯ２の還元速度が速く、ストイキ～リッチ雰囲気を保持する時間を数秒～数分に短縮することができる。

Description

明細書ディ一ゼルェンジンの排気ガス浄化装置および排気ガス浄化方法技術分野

この発明は、ディーゼルェンジンの排気ガス浄化装置および排気ガス浄化方法に関し、さらに詳細には、 '自動車等の車両に用いられるディーゼルエンジンより排出される排気ガスを大気汚染防止のために浄化する排気ガス浄化装置および排気ガス浄化方法に関する。背景技術

現在、ディーゼルエンジンの排気ガス規制では、窒素酸化物（NOx) 、粒子状物質（PM : P a r t i c u l a t e Ma t t e r) 、炭化水素（H C ) 、一酸化炭素（C〇）等の排気ガス成分が対象となっている。

PMの主成分は、煤つまり炭素（C)、炭化水素、可溶性有機成分（SOF ： S o l u b l e O r g a n i c F r a c t i o n) 、及び硫黄分であるが、ェンジンの負荷が高くなるにつれ、 PMが高温の排気ガスに曝されることにより、炭化水素や SO Fは気化し、炭素が PMの成分の殆どを占める.ようになる。このため、以降、 PMといった場合は、炭素（C)を示す。

これら排気ガス成分を浄化する技術が従来より種々開発されている。

例えば、日本国公開特許の特開 2000— 1 9 9423号公報に示されているように、ディーゼルエンジンの排気通路の途中に、排気ガスの流れに対し、上流側から、酸化触媒、排気ガス中の微粒子を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ（DPF) 及び NOx触媒を設け、さらに、パティキュレートフィルタ (P F) と NO X触媒との間には排気ガス中の NO Xを還元するための添加剤 (燃料）を噴射する燃料添加装置（燃料添加ノズル）を設けたディーゼルェンジンの排気ガス浄化装置がある。

これ以外に、日本国公開特許の特開 2000— 1 705 26号公報に示されているように、ディーゼルエンジンの排気通路の途中に、排気ガスの流れに対し、上流側から、 NOx触媒、酸化触媒、パティキュレートフィルタが順に設けられ、 NO X触媒の上流側に、排気ガス中の N〇 Xを還元する添加剤を噴射する添加装置が設けられ、パティキュレートフィルタに堆積した微粒子の量を検出する堆積量検出装置からの検出情報に基づいて微粒子の堆積量が所定値以下の場合には添加装置から添加剤を噴射するようにしたディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置がある。

また、日本国公開特許の特開平 7— 1 1 9444号公報、日本国公開特許の特開 2002— 29 5 243号公報、日本国公開特許の特開 2002— 34923 6号公報、日本国公開特許の特開 200 3— 1 3732号公報等に示されているように、ディーゼルエンジンの排気通路の途中に、排気ガスの流れに対し、上流側から、 N〇x触媒、パティキュレートフィルタが順に設けられ、 NO X触媒の上流側に排気ガス中の NO Xを還元する添加剤（燃料）を噴射する燃料噴射ノズルが設けられたものや、ディーゼルエンジンの排気通路の途中に、排気ガスの流れに対し上流側から、鲖ーゼオライト触媒、白金触媒、パティキュレートフィルタが順に設けられ、銅—ゼォライト触媒の上流側に排気ガス中の NO Xを還元する添加剤（燃料）を噴射する燃料噴射ノズルが設けられた排気ガス浄化装置がある。

また、日本国公開特許の特開平 1 1— 3 36 5 30号公報に示されているように、ディーゼルエンジンの排気通路の途中に、排気ガスの流れに対し、上流側から、 NOx触媒、パティキュレートフィルタが順に設けられ、ディーゼルェンジンの圧縮行程での主噴射とは別に、膨張行程あるいは排気行程においてエンジン燃焼室に燃料を噴射する燃料 2次噴射（後噴射）を行うことにより、 NOxを還元するために必要な還元剤である燃料を排気ガス中に供給する排気ガス浄化装置がある。

排気ガス浄化装置で使用される NO X触媒としては、多孔質セラミックスによるハニカム構造体（担体）に、酸素存在雰囲気下では NOxを吸収（吸蔵）する能力を有する N O X吸収剤と、炭化水素を酸化させる能力を有する貴金属触媒、換言すれば、燃料過多雰囲気下で吸蔵 NO Xを還元浄化する能力を有するものとを併せて担持したものが多く採用される。具体的には、 N〇x吸収剤としては、 L i、 N a、 K、 C s等のアル力リ金属や、 M g、 C a、 B a等のアル力リ土類金属や、 Y、 L a、 C e、 P r、 N d、 E u、 G d、 Dy等の希土類金属が挙げられ、貴金属触媒としは、 P tが挙げられる。

これ以外に、排気ガス浄化装置で使用される NOx触媒としては、白金一バリゥムーアルミナ触媒、銅イオン交換ゼォセイト触媒、メタロシリケート触媒等がある。

従来の排気ガス浄化装置で使用される上述の NO X触媒は、 NOxを化合物として NO X吸収剤に吸収捕捉する吸蔵型のものである。 NOx吸収剤（NOx捕捉材）が B a Oの場合、貴金属上で、 NOが NO ₂に酸化された後（式（1) 参照）、 NOxを硝酸化合物 B a (NO 3 ) ₂として、 N〇 x吸収剤に吸収（吸蔵）する（式（2) 参照）。

NO+ 0. 5〇₂ →N0₂ ·■· ( 1 )

2 NO2 +0. 5 +B a 0→B a (NOa ) 2 … (2) 吸蔵型のものは、 NOx吸収剤に吸収（吸蔵）するため、捕捉 NOxの還元速度が遅く、還元剤の消費量が多い。このため、吸蔵型のものは、多くの燃料を要する還元雰囲気の保持時間を長く要し、燃料経済性が悪い。また、吸蔵型の NO X触媒は、耐久性に関しても充分な評価を得ることが難しい。

本発明の目的は、燃料経済性の悪化を最小限に抑えてディーゼルエンジンより排出される排気ガスの浄化を、燃料経済性の悪化を最小限に抑えて長期間に 1つて良好に行うディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置および排気ガス浄化方法を提供することにある。発明の開示

本発明によるディ一ゼルェンジンの排気ガス浄化装置は、ディ一ゼルェンジンの排気ガスを排出する排気流路に、排気ガスの流れの上流側から、排気ガス中の NO Xを吸着還元する NO x吸着還元型触媒と、排気ガス中の粒子状物質を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタとが順に配置されている。

N〇 X吸着還元型触媒は、 NO X捕捉材に NO Xをそのまま化学吸着するものであり、カリウム、ナトリウム、マグネシウム、ストロンチウム、カルシウムから選ばれる少なくとも一種と、セリゥム等の希土類から選ばれる少なくとも一種と、白金、ロジウム、パラジウム等の貴金属から選ばれる少なくとも一種と、チタン、シリコンより選ばれる少なくとも一種の元素を含み、金属、金属酸化物もしくは複合酸化物からなる組成物、もしくは該組成物を多孔質耐熱性金属酸化物に担持してなる組成物である。

本発明によるディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置は、さらに、排気ガスの流れで見て前記ディーゼルパティキュレートフィルタより下流側に酸化触媒が配置されている。

本発明によるディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置は、さらに、前記 N O x 吸着還元型触媒より排気ガス流路上流側に、排気ガスを加熱する加熱手段を有する。

また、本発明によるディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置は、さらに、前記ディーゼルパティキュレートフィルタを加熱する加熱手段を有する。

本発明によるディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置は、前記 N〇 X吸着還元型触媒に流入する排気ガスの温度、空燃比、酸素濃度、リーン運転を行っている時間等、ディーゼルエンジンの蓮転状態を示す物理量の計測値より前記 N O X吸着還元型触媒に蓄積されている N O X量を推定する N O X量推定手段と、前記 N O X量推定手段によつて推定された蓄積 N〇 X量が所定値になれば、前記 N O _X 吸着還元型触媒に流入する排気ガスの温度を N O X還元浄化に必要な温度に高め、蓄積された N O Xを還元するために必要な還元剤である燃料を排気ガス中に供給する制御を行う制御手段とを有する。

本発明によるディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置は、ディーゼルエンジンに供給する燃料量を増量することにより、 N O Xを還元するために必要な還元剤である燃料を排気ガス中に供給する。

また、本発明によるディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置は、ディーゼルェンジンの膨張行程あるいは排気行程においてエンジン燃焼室に燃料を噴射する燃料 2次噴射により、 N O Xを還元するために必要な還元剤である燃料を排気ガス中に供給する。

また、本発明によるディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置は、前記ディーゼルパティキュレートフィルタへ流入する排気ガス温度を計測する排気ガス温度計測手段と、前記排気ガス温度計測装置によつて計測された排気ガス温度が予め決められた温度より低いことを判断する排気ガス温度判定手段と、前記ディーゼルパティキュレートフィルタに捕捉されるパティキュレート量を推定するパティキュレート捕捉量推定手段と、排気ガスを加熱する加熱手段とを備え、前記パティキュレート捕捉量推定手段によって推定されたパティキュレート量の推定値が予め決められた所定の捕捉量に達し、前記排気ガス温度判定手段によって排気ガス温度が予め決められた温度よりも低い温度と判断された時には、前記加熱手段により排気ガスを予め定められた温度に加熱する制御を行い、前記ディーゼルパティキュレートフィルタに捕捉されたパティキュレートを燃焼除去する。

本発明によるディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置によれば、排気の流れの上流から、 NO x触媒、ディーゼルパティキュレートフィルタが順に設置され、 NO X触媒として NO x吸着還元型触媒を使用しているから、 NO x吸蔵還元型触媒に比して、捕捉 ₂の還元速度が速く、ストィキ〜リッチ雰囲気を保持する時間を数秒〜数分に短縮することができる。

図面の簡単な説明

図 1は本発明によるディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置の概要を示す概略図、図 2は本発明によるディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置の一つの実施形態を示す概略図、図 3は本発明によるディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置の他の一つの実施形態を示す概略図である。図 4は本発明によるディ一ゼルェンジンの排気ガス浄化装置のもう一つの実施形態を示す概略図、図 5は本発明による排気ガス浄化装置を直噴ディ一ゼルェンジンに適用した一つの実施形態を示す概略図、図 6は本発明によるディ一ゼルェンジンの排気ガス浄化装置における空燃比制御のブロック図、図 7はその空燃比制御のフローチャート、図 8〜図 1 2は各々は N O X量推算処理のフローチャート、図 1 3は本発明によるディーゼルェンジンの排気ガス浄化装置における排気温度制御のブロック図、図 1 4はその排気温度制御のフローチャート、図 1 5〜図 1 Ίは各々 P M量推算処理のフローチヤート部分である。発明を実施するための最良の形態

この発明に係る好適な実施の形態を添付図面を参照して説明する。

本発明によるディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置の概略を図 1に示す。デイーゼルエンジン 1から排出される排気ガスは、排気ガス流路 2、すなわち排気管内を通過する過程で、 NO X浄化触媒 3、ディーゼルパティキュレートフィルタ（以下 DP Fという） 4、酸化触媒 5により浄化される。

本発明では、 NO X浄化触媒 3が排気ガスの流れに対して DP F 4や酸化触媒 5より排気ガス流れの上流側に配置されているため、触媒温度が上がりやすく、温度及ぴ雰囲気の精密な制御が可能であるため、十分な NO X浄化性能を得ることができる。

排気ガスを還元雰囲気にするためには、特別な還元剤添加装置を備えずとも、ディーゼルエンジン 1での通常の燃料噴射（主噴射）に加えて膨張行程または排気行程にエンジンシリンダ（燃焼室）内に 2回目の燃料を噴射する燃料 2次噴射等を用いることで可能になる。

排気ガスの流れに対し NO X浄化触媒 3が D P F 4より上流側にあるため、 D P F 4における PM燃焼時に発生する熱及び S O Xによる NO X浄化触媒 3の劣化の懸念が小さい。

また、 DPF 4より上流側の NOx浄化触媒 3で N〇xが浄化され、 PMの除去に NO Xを用いないため、 NOx排出量が抑制される。また、 DP F 4において、 PMがー部不完全燃焼し、 COや HCが発生しても、酸化触媒 5が DP F 4 より下流側に配置されていることにより、 COや HCを酸化浄化することができる。

本発明において、 NO Xを還元浄化するため、リーン運転時と比較して還元剤が多い状態を作るとともに、 NO X浄化触媒 3が十分に機能する温度になるよう排気ガス若しくは N〇 X浄化触媒 3を加熱するタイミングは、以下の各方法 (1) 〜（5) 等によることができる。

(1) ディーゼルエンジン 1の運転制御を行う E CU (En g i n e C o n t r o 1 Un i t) で決定される空燃比（燃料噴射量）設定信号、エンジン回転数信号、吸入空気量信号、吸気管圧力信号、速度信号、スロットル開度、排気ガス温度等からリーン運転時における NO _X排出量を推定し、その積算値が所定の設定値を超えたとき。

( 2 ) 排気流路 2の N O X浄化触媒 3の上流側あるいは下流側に配置された酸素センサ（若しくは AZFセンサ）の信号により、累積酸素量を検出し、累積酸素量が所定の量を超えたとき。

(3) その変形態様として、リーン運転時の累積酸素量が所定の量を超えたとき _c

(4) 排気流路 2の NO X浄化触媒 3の上流側に置かれた NO Xセンサの信号により、累積 NO X量を算出し、リーン運転時における累積 NO X量が所定の量を超えたとき。

( 5 ) 排気流路 2の N O X浄化触媒 3の上流側に置かれた N O Xセンサの信号により、リーン運転時における N〇x濃度を検出し、 NO X濃度が所定濃度を超えたとき。

本発明におけるリーン運転時と比較して還元剤が多い状態を維持する時間もしくは維持すべく投入する還元剤量は、前述のごとく、予め NO X浄化触媒 3の特性、ディーゼルエンジン 1の諸元と特性等を考慮して決めることができる。これらは、ディーゼルエンジン 1の燃料噴射弁のストローク、噴射時間及び嘖射間隔等を調整して実現できる。

本発明において、 D P F 4に捕集されている PMを燃焼除去するため、 PMが燃焼しはじめる温度になるよう、排気ガス若しくは DP F 4を加熱するタイミングは、以下の各方法等によることができる。

( 1 ) ディーゼルエンジン 1の運転制御を行う ECU (E n g i n e C o n t r o 1 Un i t) で決定される空燃比（燃料噴射量）設定信号、エンジン回転数信号、吸入空気量信号、吸気管圧力信号、速度信号、スロットル開度、排気ガス温度等からリーン運転時における PM排出量を推定し、その積算値が所定の設定値を超えたとき。

(2) 排気流路 2の DP F 4より上流側あるいは下流側に置かれた圧力センサの信号により、累積 PM量を推定し、累積 PM量が所定の量を超えたとき。

( 3 ) その変形態様として、排気流路 2の DPF 4より上流側と下流側に置かれた圧力センサの信号の差より累積 PM量を推定し、累積 PM量が所定の量を超えたとき。

NO x浄化触媒 3としては、 NO Xを吸着して還元する NO X吸着還元型触媒、 NO X吸蔵還元型触媒、 NO X選択還元触媒等がある。代表的には、貴金属を担持したアルミナのような高比表面積の耐火性無機材料に、 K、 Na等のアルカリ金属、 C a、 B a等のアルカリ土類金属、 T i、 Mn、 F e、 Cu等の遷移金属、 Z r、 C e等の希土類金属または Z r、又はこれらの任意の組合せを添加してなるハニカム状モノリス型触媒を用いることができる。

以下、本発明の実施形態について説明する。

図 2は、ディーゼルエンジン 1とその吸排気系及びエンジン制御ユニット（E CU) 14を示す。排気系には本発明の排気浄化装置が設けられている。

本実施形態の排気浄化装置は、ディーゼルエンジン 1の排気ガス流路 2を流れる排気ガス流で見て、上流側から、 NO X吸着還元型触媒 6、排気ガス中の粒子状物質を酸化除去せしめるディーゼルパティキュレートフィルタ（DPF) 4、酸化触媒 5を順に配置されている。

NO X吸着還元型触媒 6の上流側には酸素濃度センサ（若しくは A/Fセンサ） 9と排気温度センサ 1 0が設けられている。 NO X吸着還元型触媒 6より下流側で、 D P F 4より上流側には圧力センサ 1 1及び排気温度センサ 1 2が設けられている。さらに、 DP F 4の下流側にはもう一^ 3の圧力センサ 1 3が設けられている。

ディーゼルエンジン 1の吸気系には、吸入空気量を計測するエアフローセンサ 7と、吸入空気量を計量制御するスロットルバルブ 8等が設けられている。

D P F 4は PM捕捉機能を有する。 DP F 4としては、例えば、セラミック焼結体、セラミックファイバ及び金属などが使用できる。セラミックファイバをコィル状に巻いて円筒型に成形したフィルタ、ファイバを織ったものを適当な形状に成形したフィルタ、セラミック製で上流側端部が閉塞され下流側端部が開放された排気ガス通路と、上流側端部が開放され下流側端部が閉塞された排気ガス通路とが交互に配列され、隣接する排気ガス通路間には多孔質の壁面が形成されているウォールフロ一型フィルタなど、様々な形態ゃ大きさのフィルタが使用空間に応じて適宜選択できる。この実施形態では、ウォールフロー型フィルタを適用する。

酸化触媒 5は、 C〇、 H C、 N O x及ぴ S O Fを吸着して酸化し、 P Mの燃焼を促進する機能を有する。このような触媒としては、貴金属（P t、 P dなど）を含む各種触媒、例えば、 P tをアルミナに担持した P t Zアルミナをはじめ、 p t /ジルコニァ、 p d Zアルミナなどを例示できる。

また、酸化触媒 5に窒素酸化物還元機能を付与した三元触媒を用いてもよい。このような触媒としては、貴金属等（P t、 P d、 R hなど）をアルミナ等の担体に担持させた触媒、例えば P t、 P d、 R アルミナなどがあげられる。また、図 3に示されているよう.に、酸化触媒として、炭化水素吸着燃焼触媒 1 6を用いることもできる。

炭化水素吸着燃焼触媒 1 6は、触媒温度が低温で、酸化触媒の活性が小さいときには、排気ガス中の炭化水素を吸着し、触媒温度が上昇して酸化触媒の活性が大きくなつたときに吸着した炭化水素を酸化触媒により燃焼させることができる酸化触媒である。

このような触媒としては、ゼォライトを担体とし、ゼォライトに担持された酸点をもつ C s等のアルカリ金属、 C a等のアルカリ土類金属、 C u、 A g等の遷移金属よりなる第 1金属酸化物、酸素吸蔵放出能をもつ C e、 L a等の希土類金属、あるいは Z r等の第 2金属酸化物及び孔質担体に担持された貴金属から構成された触媒などがあげられる。

D P F 4の上流側に配置.される N O X吸着還元型触媒 6は、 N O X捕捉材に N O xをそのまま化学吸着するものであり、たとえば、日本国特許公報 ·特許第 3 1 0 7 2 9 4号に示されているように、カリウム、ナトリウム、マグネシウム、ストロンチウム、カルシウムから選ばれる少.なくとも一種と、セリウム等の希土類から選ばれる少なくとも一種と、白金、ロジウム、パラジウム等の貴金属から選ばれる少なくとも一種と、チタン、シリコンより選ばれる少なくとも一種の元素を含み、金属、金属酸化物もしくは複合酸化物からなる組成物、もしくは該組成物を多孔質耐熱性金属酸化物に担持してなる組成物である。

N O x吸着還元型触媒 6は、これに以外に、日本国公開特許の特開平 1 0— 1 1 8 4 5 8号公報に示されているように、アルカリ金属とチタンから構成されるもの、日本国公開特許の特開平 1 0— 1 0 9 3 2号公報に示されているように、アル力リ金属とチタンの複合酸化物よりなるもの等がある。

NO X吸着還元型触媒 6が行う吸着による N〇 X捕捉のメカニズムは、貴金属上で生成した N0₂ (式（1) 参照）を、 NO X吸着材の表面に N〇₂のまま、化学吸着する（式（3) 参照）。

N〇₂ + NO X吸着 — N〇 X吸着材 … (3) 捕捉 NOx、すなわち、 NO X吸着材の表面に化学吸着している N0₂は、排気ガスがストィキ〜リッチ雰囲気（ここでは、総して燃料過多雰囲気あるいは無酸素雰囲気と云う）において、排気ガス中の HC、 CO、 H₂ 等がなす還元剤により、 N₂に還元浄化される（式（4) 参照）。

N0₂— NO X吸着材 + HC、 CO、 H₂ →N₂+C〇₂ + H₂0 + NOx吸着材

… （4)

NO X吸着材の表面に N0₂が吸着する化学吸着は、 NO X捕捉材内部に N0₂ を捕捉する吸収に比べて、捕捉 NO ₂の還元速度は速く、ストィキ〜リッチ雰囲気を保持する時間を数秒〜数分に短縮することができる。これにより、燃料経済性が改善される。

この排気ガス浄化装置を用い、選択的にストイキ〜リツチ雰囲気にすることにより、ディーゼルエンジンにおいて、高い NO X浄化性能が得られる。ディーゼルェンジは、基本的には、リーン運転であるから、 NO X吸着還元型触媒 6に流入する排気ガスの空燃比をストイキ〜リツチにする制御が必要である。この制御には、燃料二次噴射、吸気絞りによる酸素濃度の低減等がある。 .

ECU 14は、マイクロコンピュータ式のものであり、入出力インターフェイスとしての I O · L S I、演算処理装置（MPU) 、多数の制御プログラムを記憶させた記憶装置 RAMおよび ROM、タイマカウンタ等より構成される。本実施形態では、ディーゼルエンジン 1から排出された排気ガスは、まず、 N Ox吸着還元型触媒 6に流入する。 NOx吸着還元型触媒 6は、通常のリーン運転時に、排気ガス中の NOを N0₂ に酸化した後、これを化学吸着する。吸着された N0₂ が NO X吸着還元型触媒 6の N0₂ 平衡吸着量に達する以前に排気ガスを還元雰囲気（ストィキ〜リッチ）とし、吸着 N0₂ を窒素（N₂ ) に還元、浄化する。排気ガスを還元雰囲気にする手段としては、炭化水素濃度を増大させる手段（エンジンの燃料二次噴射等）、酸素濃度を低減させる手段（吸気絞り等）等があり、これらを同期させて行うことができる。炭化水素濃度を増大させる処理及ぴ酸素濃度を低減させる処理時には、 NO X吸着還元型触媒 6の触媒温度を 250°Cから 500°Cに制御する。これは、上記範囲の温度で、 NOx吸着還元型触媒 6の NO X浄化能がよいためである。

DP F 4はセラミック製ハニカム型フィルタであり、 DP F 4内では、上流側端部が閉塞され、下流側端部が開放された排気ガス流路と、上流側端部が開放され、下流側端部が閉塞された排気ガス流路とが交互に配列され、隣接する排気ガス流路間には多孔質の壁面が形成されているウォールフロー型フィルタである。このため、 D P F 4に流入する排気ガスは、上流側端部が開放され、下流側端部が閉塞された排気ガス流路に流入し、次に、隣接する排気ガス流路の間に設けられた多孔質の壁面から、上流側端部が閉塞され、下流側端部が開放された排気ガス流路に流入し、下流側に流出する。この過程において、ディーゼル排気ガス中の PMは壁面への衝突や吸着により捕集される。

D P F 4に捕集された PMは、一定量堆積した時点で、排気ガス温度を高めることにより、燃焼除去（灰化除去）される。排気ガス温度を高める方法は、ェンジン制御、 D P F 4の上流側に配置した触媒の反応熱等のいずれでもよい。

D P F 4で燃焼した PMの一部が不完全燃焼により COとなり、また未燃の H Cも排出される虞れがある。

このため、 DP F 4の排気ガス流路下流側に酸化触媒 5が配置され、酸化触媒 5が、 PMの不完全燃焼により発生した CO及ぴ未燃 HCの酸化浄化を行う。また、酸化触媒 5は、 PM燃焼時以外においても、 NOx吸着還元型触媒 6や DP F 4で消費されずに排気ガス中に含まれる HCや COを酸化浄化する。

この酸化触媒 5の作用は、図 3に示されている炭化水素吸着燃焼触媒 1 6の場合も同様に得られる。しかも、炭化水素吸着燃焼触媒 1 6の場合には、エンジン起動直後等、 HC吸着燃焼触媒の触媒温度が低く、排ガス中に含まれる HCを十分に燃焼浄化できない場合であっても、 HCを吸着し、触媒が HCを十分に燃焼浄化できる温度に達するまで保持することで、 HCの排出量を低減させることができる。

図 4に示されている実施形態では、更に、 NO X吸着還元型触媒 6に流入する排気ガスを加熱するヒータ 1 7と、 D P F 4を加熱するヒータ 1 8とが付加されている。その他の構成は、図 2に示されている実施形態のものと同じである。この実施形態では、ディーゼルエンジン 1から排出された排気ガスは、まず、ヒータ 1 7により熱せられ、排気ガス中の HCが分解される。ディーゼルェンジン 1より排出される排気ガス中の炭化水素は、炭素数が 7以上の高級炭化水素が比較的多いため、ヒータ 1 7により分解して炭素数が 6以下の低級炭化水素の割合を増大させることにより、それより排気ガス流路下流側の NO X吸着還元型触媒 6での NO X還元反応を効率よく進行させることができる。

また、ヒータ 1 7は、 NO X吸着還元型触媒 6における NO X浄化及び D P F 4における PMの燃焼除去において、排気温度の上昇が必要であると、 ECU 1 4により判定された場合には、 ECU 4の指令により排気ガスを加熱する。ヒータ 1 8は、 D P F 4における PMの燃焼除去において、 DPF温度の上昇が必要であると、 ECU 14により判定された場合には E CU 14の指令により D P F 4を加熱する。

ヒータ 1 7、 1 8を設けたことにより、排気ガス浄化性能を一段と高めることができる。

図 5は本発明による排気ガス浄化装置が適用される直嘖ディーゼルエンジンの一つの実施形態を示している。

ディーゼルエンジン 1の燃料系は、電子制御式のコモンレールシステムが採用されている。コモンレールシステムでは、燃料タンク 2 1の燃料（軽油）力一次ポンプ 22によって加圧され、さらに高圧ポンプ 23によって直噴に必要に高圧に加圧される。高圧の燃料は、蓄圧容積部であるコモンレール 24に供給される。

コモンレール 24には、各気筒、すわわち、ディーゼルエンジン 1の燃焼室 2 5ごとの直噴用の燃料噴射ノズル（インジェクタ） 26が接続されている。燃料噴射ノズル 26は、高圧燃料を燃焼室 24に直接噴射する。燃料噴射ノズル 25 による燃料噴射量、燃料噴射時期は、 ECU 14によって制御される。 E C U 1 4は、燃料噴射ノズル 2 5による燃料噴射量、燃料噴射時期と、電動式のスロットルバルブ 8による吸入空気量制御とを行う空燃比制御部（燃料供給 •吸入空気量制御部） 3 1と、 N〇 X量推定部 3 2と、排気ガス温度判定部 3 3 と、パティキュレート捕捉量推定部 3 3とを有する。これらは、 E C U 1 4の M P Uが制御プログラムを実行することにより具現化される。

N O X量推定部 3 2は、 N O X吸着還元型触媒 6に流入する排気ガスの温度、空燃比、酸素濃度、リーン運転を行っている時間等、ディーゼルエンジン 1の運転状態を示す物理量の計測値より N O X吸着還元型触媒 6に蓄積されている N O X量を推定する。

N O X量推定手段 3 2によって推定された蓄積 N O X量が所定値になれば、空燃比制御部 3 1等が、 N〇 X吸着還元型触媒 &に流入する排気ガスの温度を N O X還元浄化に必要な温度に高め、蓄積された N O Xを還元するために必要な還元剤である燃料を排気ガス中に供給する制御を行う。

N O Xを還元するために必要な還元剤である燃料を排気ガス中に供給することは、吸入空気量を制御しつつ電子制御のインジェクタ 2 6によってディーゼルェンジン 1に供給する燃料量を増量することにより、電子制御のインジヱクタ 2 6 によりディーゼルエンジン 1の膨張行程あるいは排気行程においてェンジン燃焼室 2 5に燃料を噴射する燃料 2次噴射を行うことより実現できる。

排気ガス温度判定部 3 3は、 D P F 4へ流入する排気ガス温度を計測する排気ガス温度センサ 1 2によって計測された排気ガス温度が予め決められた温度より低いことを判断する。

パティキュレート捕捉量推定部 3 4は、 D P F 4に捕捉されるパティキュレート量を推定する。

パティキュレート捕捉量推定部 3 4によって推定されたパティキュレート量の推定値が予め決められた所定の捕捉量に達し、排気ガス温度判定部 3 3によって排気ガス温度が予め決められた温度よりも低い温度と判断された時には、ヒータ 1 7、 1 8によって排気ガスを予め定められた温度に加熱する制御を行い、 D P F 4に捕捉されたパティキュレートを燃焼除去する。

ディーゼルエンジン 1に供給する混合気の燃料濃度（以下、空燃比）は次の様に制御される。図 6は空燃比制御のブロック図である。

E C U 1 4の空燃比制御部 3 1は、ァクセルペダルの踏み込みに応じた信号を出力する負荷センサ 3 5の出力信号、ェアフロセンサ 7により計量された吸気量の出力信号、クランク角センサ（エンジン回転数センサ 3 6 ) により検出されるエンジン回転数信号、排気ガス温度センサ 1 0が出力する排気ガス温度信号、スロットル開度を検出するスロットルセンサ 3 7の出力信号、エンジン冷却水温センサ 3 8が出力するエンジン冷却水温信号、スタータ信号等の情報から、空爆比 ( A / F ) を決定する。 .

空燃比制御部 3 1は、この空燃比を酸素センサ 9からフィードパックされる信号に基づき捕正し、燃料噴射量を決定する。なお、低温時、アイドル時、高負荷時等では、各センサ及ぴスィツチの信号によりフィードバック制御を停止する。また、空燃比補正学習機能により空燃比の微妙な変化や急な変化にも正確に対応できるよう空燃比補正学習機能で対応する。

決定された空燃比が還元雰囲気のときには、 E C U 1 4の指示により、インジェクタ 2 6の噴射条件が決定され、リツチ運転が行われる。

リーン運転が決定された場合には、 N O X量推定部 3 2によって N O X吸着還元型触媒 6の N O X吸着能の有無の判定を行い、吸着能が所定の規定値（例えば、平衡吸着量の 5 0 % ) 以上であると判定された場合には、指示通りのリーン運転を行うべく燃料噴射量が決定される。これに対し、吸着能が所定の規定値未満であると判定された場合には、空燃比を所定期間に亘つてリツチシフトして N O X 吸着還元型触媒 6を再生する。

図 7は空燃比制御のフローチヤ一トである。

まず、ステップ 1 0 0 2で各種の運転条件を指示する、あるいは運転状態を検出する信号を読み込む。これらの信号に基づきステップ 1 0 0 3で空燃比を決定する。ステップ 1 0 0 4では決定された空燃比を検出する。

つぎに、ステップ 1 0 0 5で決定された空燃比と理論空燃比との大小を比較する。ここでの比較対象となる理論空燃比は、正確には N O X吸着還元型触媒 6において N O Xの接触還元反応の速度が吸着による捕捉速度を上回る空燃比であり、予め N O X吸着還元型触媒 6の特性を評価して決定されるもので、理論空燃比近傍の空燃比が選定される。

設定空燃比理論空燃比の場合にはステップ 1 00 6に進み、 NOx吸着還元型触媒の再生操作を行うことなく指示通りの空燃比運転を行う。

これに対し、設定空燃比〉理論空燃比の場合にはステップ 1 00 7に進む。ステツプ 1 00 7では、 N〇 X吸着量の推定演算を行う。 NOx吸着量の推定演算方法については後述する。

続いてステップ 1 008で推定 NOx吸着量が所定限界量以下（吸着能あり）であるか否かを判定する。限界吸着量は、予め実験等により NOx吸着還元型触媒 6の NO X捕捉特性を評価して、また排気ガス温度や NO X吸着還元型触媒温度等を考慮して排気ガス中の NO Xが十分に浄化できる値に設定される。

NO X吸着能がある場合には、ステップ 1 006に進み、 NO X吸着還元型触媒の再生操作を行うことなく指示通りの空燃比運転を行う。 NO X吸着能がない場合には、ステップ 1 00 9に進み、空燃比をリツチ側にシフトする。

ステップ 1 01 0ではリツチシフト時間 T rをカウント、積算し、ステップ 1 01 1で、経過時間 T rが所定の時間（T r ) cを超えれているか否かを判別する。リッチシフトは、所定時間（T r) cだけ行われ、経過時間 T rが所定の時間（T r) cを超えれていれば、ステップ 1 0 1 2で、リッチシフト時間 T rの積算値をリセット（クリア）し、リッチシフトを終了する。

NOx吸着能の判定は次のように行うことができる。図 8はリーン運転時の各種運転条件から NO X排出量を積算し、判定する処理のフローチヤ一トである。ステップ 1 007—E 0 1で排気ガス温度等の NO X吸着還元型触媒 6の作動条件に関する信号と、排気ガス中の NOx濃度に影響する各種の機関運転条件に関する信号とを読み込み、単位時間に吸着する NO X量 EN を推算する。

ステップ 1 007— E 02で EN を積算し、ステップ 1 008— E 0 1で積算値 ΣΕΝ と吸着量の上限値（EN ) cとの大小を比較する。 ΣΕΝ ≤ (EN ) cの場合には積算を継続し、 ΣΕΝ 〉（EN ) cの場合にはステップ 1 008— E 0 2で積算を解除しステップ 1 009に進む。

図 9はリーン運転の積算時間で判定する処理のフローチヤ一トである。

ステップ 1 007—H0 1でリーン運転時間 HL を積算し、ステップ 1 008 一 HO Iで積算値∑HL と積算時間の上限値（HL ) c との大小を比較する。 ∑ HL ≤ (HL ) cの場合には積算を継続し、 ∑HL > (HL ) cの場合にはステツプ 1 008— HO 2で積算を解除し、ステップ 1 00 9に進む。

図 1 0はリーン運転時の酸素センサ信号で判定する処理のフローチヤ一トである。

ステップ 1 00 7— 00 1でリーン運転における酸素量 Q0 を積算し、ステツプ 1 008— O 00 1で積算値∑Q0 と積算酸素量の上限値（Q0 ) cとの大小を比較する。 ∑Q0 ≤ (Q0 ) cの場合には積算を継続し、 ∑Q0 〉（Q0 ) cの場合にはステップ 1 008—O02で積算を解除し、ステップ 1 009に進む。図 1 1はリーン運転時の N〇 X吸着還元型触媒入口で検出した NO X濃度センサ信号で判定する処理のフローチヤ一トである。

ステップ 1 00 7— NO 1で NO X濃度センサ信号に基づき NO X吸着還元型触媒入口における NO X量 QN を積算する。ステップ 1 008— NO 1で積算値 ∑QN と積算 NOx量の上限値（QN ) cとの大小を比較する。 ∑QN ≤ (QN ) cの場合には積算を継続し、 ∑QN 〉（QN ) cの場合にはステップ 1 008— NO 2で積算を解除し、ステップ 1 00 9に進む。

図 1 2はリーン運転時の N O X吸着還元型触媒出口で検出した N O X濃度センサ信号で判定する処理のフローチャートである。

ステップ 1 00 7— C O 1で N〇 X濃度センサ信号に基づき NO X吸着還元型触媒入口における NO X濃度 CN を検出する。ステップ 1 008— C 0 1で CN と CN の上限値（CN ) cとの大小を比較する。 CN (CN ) cの場合には検出を継続し、 CN 〉（CN ) cの場合にはステップ 1 009に進む。

DP F再生のための排気ガスの温度（以下、排気温度）は次の様に制御される。図 1 3は排気温度制御をブロック図である。

E CU 14の排気ガス温度判定部 33は、アクセルペダルの踏み込みに応じた信号を出力する負荷センサ 3 5の出力信号、ェアフロセンサ 7により計量された吸気量の出力信号、クランク角センサ（エンジン回転数センサ 36) により検出されるエンジン回転数信号、排気ガス温度センサ 1 2が出力する排気ガス温度信号、スロットル開度を検出するスロットルセンサ 3 7の出力信号、エンジン冷却水温センサ 38が出力するエンジン冷却水温信号、スタータ信号等の情報から排気温度を決定する。

この排気温度は、さらに、排気温度センサ 2からフィードバックされる信号に基づき補正され、ディーゼルエンジン 1から供給される熱量を決定する。なお、低温時、アイドル時、高負荷時等では、センサ及ぴスィッチの信号によりフィードバック制御を停止する。また、排気温度補正学習機能により排気温度の微妙な変化や急な変化にも正確に対応できるよう排気温度補正学習機能で対応する。決定された排気温度が PM燃焼開始温度のとき、 ECU 3 1の指示によりェンジン 1による熱量供給条件が決定され、排気の加熱が行われる。

一方、 DP F再生のための昇温制御を行わない運転が決定された場合には、 E CU 3 1のパティキュレート捕捉量推定部 3 3によって D P F 4の PM捕捉能の有無の判定を行い、捕捉能が所定の規定値（例えば、飽和捕捉量の 50%) 以上であると判定された場合に指示通りの D P F再生のための昇温制御を行わない運転を行い、捕捉能が所定の規定値未満であると判定された場合には排気温度を所定期間上昇させて D P Fを再生させる。

図 14は温度制御（DPF再生制御）のフローチャートである。

まず、ステップ 2004では排気温度を検出する。ステップ 2005で排気温度と PM燃焼開始温度との大小を比較する。ここでの比較対象となる PM燃焼開始温度は、 D P F 4において PMの燃焼浄化の速度が捕捉速度を上回る温度であり、予め DPF 4の特性を評価して決定されるものである。

排気温度 PM燃焼開始温度の場合には、ステップ 2006に進み、 DP F 4 の再生操作を行うことなく指示通りの運転を行う。

これに対し、排気温度 <PM燃焼開始温度の場合には、ステップ 2007に進む。ステップ 2007では PM捕捉量の推定演算を行う。推定演算方法については後述する。

続いてステップ 2008で推定 PM捕捉量が所定限界量以下であるか否かを判定する。限界捕捉量は予め実験等により DP Fの PM捕捉特性を評価して、また排気ガス温度等を考慮して、排気ガス中の PMが十分に浄化できる値に設定される。 PM捕捉能がある場合には、ステップ 200 6に進み、 DP Fの再生操作を行うことなく指示通りの運転を行う。 PM捕捉能がない場合には、ステップ 200 9に進み、ディーゼルエンジン 1の供給熱量を決定し、排気温度を上昇させる。ステップ 20 1 0では排気温度上昇時間 Thをカウント、積算し、ステップ 2 0 1 1で経過時間 Thが所定の時間（Th) cを超えれているか否かを判別する。排気温度上昇は、所定時間（Th) cだけ行われ、経過時間 Thが所定の時間 (Th) cを超えれていれば、ステップ 20 1 2で、排気温度上昇時間 Thの積算値をリセット（クリア）し、排気温度上昇を終了する。

DP F捕捉量推定部 34による D P F捕捉量推定処理を図 1 5〜図 1 7を用いて説明する。

図 1 5はリーン運転時の各種運転条件から D P F捕集量を積算し判定する処理のフローチヤ一トである。

ステップ 200 7— D O 1で排気ガス温度等の D P Fの作動条件に関する信号と排気ガス中の PM濃度に影響する各種の機関運転条件に関する信号とを読み込み、単位時間に吸着する PM量 DN を推算する。ステップ 2007— D O 2で D N を積算し、ステップ 20 08— D 0 1で積算値∑DN と捕集量の上限値（DN ) cとの大小を比較する。 ∑DN ≤ (DN ) cの場合には、積算を継続し、 ∑DN > (DN ) cの場合には、ステップ 2008— D 02で積算を解除し、ステップ 2009に進む。

図 1 6は D P F再生のための昇温制御を行わない運転の積算時間で判定する処理のフローチャートである。

ステップ 2007— I 0 1で DP F再生のための昇温制御を行わない運転時間 I L を積算し、ステップ 200 8— 1 0 1で積算値∑ I L と積算時間の上限値 ( I L ) cとの大小を比較する。 ∑ IL ≤ (IL ) cの場合には、積算を継続し、 ∑ I L > ( I L ) cの場合には、ステップ 200 8— 1 0 2で積算を解除し、ステツプ 2009に進む。

図 1 7は D P F再生のための昇温制御を行わない運転時の圧力センサ信号で判定する処理のフローチヤ一トである。

ステップ 200 7-P 0 1で DP F前後の圧力差 Δ P0 を積算し、ステップ 2 00 8— P 0 1で積算値∑ Δ PO と規定値 PO (c) を比較する。 Σ Δ Ρ0 が規定値 P0 ( c ) 未満の場合には、積算を継続し、 Σ Δ Ρ0 が規定値 PO (c) 以上の場合には、ステップ 2008— P 0 2で積算を解除し、ステップ 200 9に進む。産業上の利用の可能性 ·

この発明による排気ガス浄化装置は、自動車等の車両用のディーゼルエンジンに適用でき、排気ガス中の窒素酸化物を NO _X吸着還元型触媒により還元浄化することができ、排気ガス中の粒子状物質をディーゼルパティキュレートフイノレタにより捕集し、堆積した PMを燃焼浄化することができる。このときに粒子状物質が不完全燃焼して生成した一酸化炭素を酸化触媒、 HC吸着燃焼触媒のいずれかで酸化浄化することができ、大気汚染を防止できる。

Claims

• 請求の範囲

1 . ディーゼルエンジンの排気ガスを排出する排気流路に、排気ガスの流れの上流側から、排気ガス中の N O Xを吸着、還元する N〇 X吸着還元型触媒と、排気ガス中の粒子状物質を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタとが順に配置されていることを特徴とするディーゼルェンジンの排気ガス浄化装置。

2 . 特許請求の範囲第 1項に記載のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置において、排気ガスの流れで見て前記ディーゼルパティキュレートフィルタより下流側に酸化触媒が配置されていることを特徴とするディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置。

3 . 特許請求の範囲第 2項に記載のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置において、前記酸化触媒が排気ガス中の N O Xを吸着し、燃焼浄化する炭化水素吸着燃焼型触媒であることを特徴とするディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置。

4 . 特許請求の範囲第 1項から第 3項の何れか一項に記載のディ一- の排気ガス浄化装置において、前記 N O X吸着還元型触媒より排気ガス流路上流側に、排気ガスを加熱する加熱手段を有することを特徴とするディーゼルェンジン排気ガス浄化装置。

5 . 特許請求の範囲第 1項から第 4項の何れか一項に記載のディ一- の排気ガス浄化装置において、前記ディーゼルパティキュレートフィルタを加熱する加熱手段を有することを特徴とするディーゼルェンジン排気ガス浄化装置。

6 . 特許請求の範囲第 1項から第 5項の何れか一項に記載のディーゼルェ：の排気ガス浄化装置において、前記 N O X吸着還元型触媒に流入する排気ガスの温度、空燃比、酸素濃度、リーン運転を行っている時間等、ディーゼルエンジンの運転状態を示す物理量の計測値より前記 N〇 X吸着還元型触媒に蓄積されている N O x量を推定する N O x量推定手段と、前記 N O X量推定手段によつて推定された蓄積 N O X量が所定値になれば、前記 N O X吸着還元型触媒に流入する排気ガスの温度を N O X還元浄化に必要な温度に高め、蓄積された N O Xを還元するために必要な還元剤である燃料を排気ガス中に供給する制御を行う制御手段とを有することを特徴とするディーゼルエンジン排気ガス浄化装置。

7 . 特許請求の範囲第 6項に記載のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置において、ディーゼルエンジンに供給する燃料量を増量することにより、 N O xを還元するために必要な還元剤である燃料を排気ガス中に供給することを特徴とするディーゼルエンジン排気ガス浄化装置。

8 . 特許請求の範囲第 6項に記載のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置において、ディーゼルェンジンの膨張行程あるレ、は排気行程においてェンジン燃焼室に燃料を噴射する燃料 2次噴射により、 N O Xを還元するために必要な還元剤である燃料を排気ガス中に供給することを特徴とするディーゼルェンジン排気ガス浄化装置。

9 . 特許請求の範囲第 1項から第 8項の何れか一項に記載のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置において、前記ディーゼルパティキュレートフィルタへ流入する排気ガス温度を計測する排気ガス温度計測手段と、前記排気ガス温度計測装置によって計測された排気ガス温度が予め決められた温度より低いことを判断する排気ガス温度判定手段と、前記ディーゼルパティキュレートフィルタに捕捉されるパティキュレート量を推定するパティキュレート捕捉量推定手段と、排気ガスを加熱する加熱手段とを備え、前記パティキュレート捕捉量推定手段によって推定されたパティキュレート量の推定値が予め決められた所定の捕捉量に達し、前記排気ガス温度判定手段によって排気ガス温度が予め決められた温度よりも低い温度と判断された時には、前記加熱手段により排気ガスを予め定められた温度に加熱する制御を行い、前記ディーゼルパティキュレートフィルタに捕捉されたパティキュレートを燃焼除去することを特徴とするディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置。

1 0 . 特許請求の範囲第 1項から第 9項の何れか一項に記載のディーゼルェンジンの排気ガス浄化装置において、 N O x吸着還元型触媒は、カリウム、ナトリウム、マグネシウム、ストロンチウム、カルシウムから選ばれる少なくとも一種と、セリウム等の希土類から選ばれる少なくとも一種と、白金、ロジウム、パラジゥム等の貴金属から選ばれる少なくとも一種と、チタン、シリコンより選ばれる少なくとも一種の元素を含み、金属、金属酸化物もしくは複合酸化物からなる組成物、もしくは該組成物を多孔質耐熱性金属酸化物に担持してなる組成物であることを特徴とするディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置。

1 1 . ディ一ゼルェンジンの排気ガスを排出する排気流路に、排気ガスの流れの上流側から、排気ガス中の N O Xを吸着、還元する N O x吸着還元型触媒と、排気ガス中の粒子状物質を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタとを順に配置し、前記 N O X吸着還元型触媒によつて排気ガス中の N〇 Xの還元浄化を行い、前記ディーゼルパティキュレートフィルタによって排気ガス中のディーゼルパティキュレートを捕捉除去することを特徴とするディーゼルェンジンの排気ガス浄化方法。