JP3904768B2

JP3904768B2 - ディーゼルエンジン排気ガス用パティキュレートフィルタのクリーニング及び再生装置

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Publication number: JP3904768B2
Application number: JP25173399A
Authority: JP
Inventors: 正敏下田; 満細谷; 浩伸茂木
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 1999-09-06
Filing date: 1999-09-06
Publication date: 2007-04-11
Anticipated expiration: 2019-09-06
Also published as: JP2001073748A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はディーゼルエンジンからの排気ガスの処理に関し、殊にディーゼルエンジン排気ガス用パティキュレートフィルタの目詰り防止ないし該フィルタの再生（部分的なクリーニング処理を含む。）の方式及びそのための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンからの排気ガス中のパティキュレートを濾過除去するためにフィルタ（ＤＰＦ：ＤｉｅｓｅｌＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＦｉｌｔｅｒ）が排気管系中に設置、使用されてきている。このパティキュレートは、主として燃料に由来するものであり、すす（ｓｏｏｔ）、有機溶媒可溶性有機物質（ＳＯＦ：ｓｏｌｕｂｌｅｏｒｇａｎｉｃｆｒａｃｔｉｏｎ）等からなる微粒子状の炭素質物質である。このようなパティキュレートを排気ガスから捕捉除去するためのフィルタとしては、耐熱性または耐火性材料のワイヤーメッシュ充填層；耐火物製、例えばコージェライト製の通気性微細孔性隔壁を有するモノリス多管構造；金属骨格（スケルトン）あるいは発泡体構造（例：ラニーニッケルの如き連続気泡構造）；のものなどがある。上記モノリス多管構造のものは、上流側端部を開口し、下流側端部を閉じた管部（Ａ）と、上流側端部を閉じ、下流側端部を開口した管部（Ｂ）との両者を多数、一般的には交互に配置してモノリシックに束ねた一体構造の形態であり、管部（Ａ）〜（Ｂ）間の隔壁は、例えば厚さ１ｍｍ程度で、微細孔性であり、気体がその隔壁を通り抜けられるようになっている。排気ガスは管部（Ａ）の上流側開口の方から入り、微細孔性隔壁を通り抜けて管部（Ｂ）内に移行し、その下流側開口端部から流出する。その際にパティキュレートは微細孔性隔壁によって実質的に捕捉され、排気ガスから除かれることとなる。しかしながら、このようなパティキュレート捕捉が長期間にわたって継続すると、パティキュレートの堆積によって微細孔性隔壁（フィルタ）に目詰りが生じ、排気ガスの正常な排出が妨げられるるようになるという問題が起こる。かかる目詰まり現象は、ワイヤーメッシュ充填層フィルタを採用した場合にはメッシュ間の隙間のところで、また骨格構造体フィルタの場合には細孔のところで、同様に生じる。従って、その様な目詰まりを予防し、あるいは目詰まりしつつあるか、または目詰まりしたフィルタを適時に、迅速にかつ効率的に再生しあるいは少なくとも部分的にクリーニングして、常時良好かつ必要なフィルタ濾過性能を維持して、排気ガスの円滑な流動通過、排出を確保しなければならない。
ＤＰＦのクリーニング手段として、従来提案されているものには、フィルタ本体に電気抵抗発熱線を設けて置き、炭素質堆積物で汚染された時に通電してフィルタを加熱し、それにより炭素質堆積物を燃焼除去する方法や、定期的あるいは必要時にフィルタを気体（例：空気）流により逆洗して炭素質堆積物を脱離除去してクリーニングを行い、またその時に除去された炭素質物質粒を含む気体流を別の所で燃焼条件に至らしめて、炭素質物質を燃焼除去してしまう方法などがあるが、ディーゼルエンジンにおいて採用するには、いずれも実用的ではない。
米国特許第４、９０２、４８７号明細書には、フィルタ上に捕捉されたパティキュレートに、酸化剤としてのＮＯ₂ガスを４００゜Ｃ以下の温度において接触させて、捕捉パティキュレートを燃焼（酸化）させ、炭素酸化物（ＣＯ₂，ＣＯ）として除去することが記載され、またその酸化剤として働くＮＯ₂は、排気ガス中のＮＯを、フィルタよりも上流側に配置した白金族金属触媒の作用でＮＯ₂に転化することにより得られることも示されている。
特開昭６３−５１９４７号明細書には、耐火性三次元構造体あるいはその上に更に無機酸化物被膜を付けてなる担体よりなるフィルタ上に、良熱伝導性金属メッキ（ＣｕまたはＡｇ）を施し、更にその上にＰｔ，Ｐｄ，Ｒｈの少なくとも一種の貴金属の触媒メッキ層を形成してなるパティキュレート燃焼用触媒フィルタが開示されている。
特開平３−２１３１４６号明細書には、耐熱多孔性フォーム型の排ガス浄化用フィルタであって、入り口側の比較的低密度でパティキュレートが入り込み易い部分と出口側の高密度薄層のパティキュレート捕捉部分とからなり、その全体に亘って、Ｃｓ；Ｃｕ；またはＣｅ／Ｌａ；の少なくとも一つの触媒成分を担持してパティキュレートの燃焼及びＮＯｘの還元を行うフィルタが開示されており、アルカリ金属と遷移金属と希土類元素がパティキュレートと共存することによる相乗効果が強調されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者等は、ＤＰＦの実用性あるクリーニング手段について鋭意研究、検討を重ねることにより、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明はディーゼルエンジン排気ガス中に含まれるパティキュレートを濾過除去するのに用いられるフィルタを、ディーゼルエンジンの全運転条件域にわたり効率的に浄化することができ、パテキュレートの堆積によるフィルタの有害な目詰まりを容易に予防し、パティキュレートの有効な除去を確保すると共にエンジン運転に支障を与えない良好な濾過特性を常時維持できるようにする、実用性ある手段及び装置を提供することをその主要な目的としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の第一の態様によれば、排気ガスの一部を吸気管へ戻す排気ガス再循環（ＥＧＲ）方式のディーゼルエンジンにおいて、吸気管系に吸気調節バルブを備え；排気管系には排気ガス再循環通路、排気調節バルブ、還元剤供給系の内の一つまたは複数、ＮＯｘ吸蔵還元触媒、排気ガス中のパティキュレートを濾過除去するためのＤＰＦ（ディーゼルパテキュレートフィルタ）を直列に備え；（１）通常のリーン状態での運転中にＮＯｘ吸蔵還元触媒によってＮＯを主としてＮＯ₂の形に酸化してその触媒に吸蔵せしめ、さらにこのリーン状態での運転を継続してＮＯｘ吸蔵還元触媒の吸蔵能力を越えて吸蔵させてＮＯ₂の破過を生じるようにして、その破過ＮＯ₂を酸化剤として作用させて下流にあるＤＰＦ上に捕捉されているパティキュレートを酸化除去し、所望のＤＰＦクリーニングを達成した時点で、このリーン状態での運転を終了し、（２）次いで、吸気調節バルブ、ＥＧＲ，排気調節バルブ、還元剤導入の内の一つまたはそれ以上の手段によってリッチ状態運転へと切り替え、そうすることにより既にＮＯｘ吸蔵触媒に吸蔵されているＮＯ₂を還元除去してＮＯｘ吸蔵還元触媒を再生させ、その再生が完結した時に、再び上記の（１）リーン状態下での運転継続及びＮＯ₂破過によるＤＰＦクリーニングへ戻り、次いで（２）のリッチ状態下でのＮＯｘ還元吸蔵触媒再生を行うサイクルを繰り返すことを特徴とするＮＯｘ吸蔵還元触媒併置式ＤＰＦクリーニング装置を提供する。上記（１）の内のＮＯ₂破過によるクリーニング所要時間は、数十秒のオーダー、例えば約３０〜６０秒程度で十分であり、また（２）のリッチ状態下での触媒再生の所要時間は、例えば５秒以下の短い時間で足りる。
従来、ディ−ゼルエンジン排気ガスの浄化のためにＮＯｘ吸蔵還元触媒を使用することは、公知である。そのような触媒は、例えば、アルミナからなる担体に白金（酸化触媒成分）及びバリウム（吸蔵剤成分）を担持して構成されている。リーン状態での運転時には、排気ガス中のＮＯｘが上記触媒に接触するとＮＯ₂の形に酸化されて、そこに吸蔵される。ここで生じる化学過程は、典型的には、ＮＯ＋Ｏ₂⇒ＮＯ₂で表される。従来、その触媒の吸蔵能力の限界が近くなった時点（ＮＯｘセンサにより検知できる。）で、ＮＯ₂による吸蔵触媒の破過（ｂｒｅａｋｔｈｒｏｕｇｈ）を防ぐ目的で、リーン状態からリッチ状態へ切り替えることが行われてきている。この切り替えにより、排気ガス中に還元性物質（例えば、炭化水素類、還元剤、一酸化炭素等）が存在するようになり、吸蔵ＮＯ₂が還元性物質の作用でＮ₂にまで還元されて吸蔵触媒から放出され、かくして吸蔵触媒の吸蔵能力が回復される（すなはち、吸蔵触媒が再生される）。この場合の反応の例としては、例えばＮＯ₂＋ＨＣ＋ＣＯ⇒Ｎ₂＋ＣＯ₂＋Ｈ₂Ｏを挙げることができ、ここにＨＣ（炭化水素）及びＣＯ（一酸化炭素）は還元性物質である。
本発明では、ＮＯ₂によるＮＯｘ吸蔵触媒の破過（あるいは、漏出；ｂｒｅａｋｔｈｒｏｕｇｈ）が起きる前に吸蔵触媒の再生を行ってきた上記の従来技術と異なり、吸蔵触媒の再生のタイミングを意図的に遅らせることにより、ＮＯ₂による吸蔵触媒の破過をある時間にわたって許容する。吸蔵触媒を破過したＮＯ₂は、ＤＰＦに捕捉されたパティキュレート（炭素質物質；Ｃ）に対して酸化剤として作用し、例えば、ＮＯ₂＋Ｃ（パティキュレート）⇒Ｎ₂＋ＣＯ₂の如き反応によって、堆積パティキュレートを酸化・除去し、かくしてこの様なＮＯ₂破過の状態を暫く続ければＤＰＦのクリーニングが都合よく達成される。ＤＰＦの所望の程度のクリーニングが達成されたならば、通常のリーン状態での運転に切り替えられる。ＤＰＦのクリーニングの完結度は、例えばＤＰＦの下流側に設置したＮＯｘセンサでモニタリングして、主として検知することができる。この場合に対照用ＮＯｘセンサを適所に増設して、クリニーニング完結度のより正確なモニタリングが可能である。本発明の上記態様の最も重要な特徴は、従来は回避されるべきとされてきたＮＯ₂の吸蔵触媒破過を後続の汚染ＤＰＦのクリーニング再生のために有効に利用する点にある。
本発明の上記第一の態様の実施装置の具体例を図１により説明する。図１に示した装置では、ディーゼルエンジン１からマニホルドを経て排気管２が延び、その途中からＥＧＲ管３が分岐し、エンジンの吸気管１６ヘ戻りＥＧＲ通路を形成している。ＥＧＲ管は、途中にＥＧＲ調節バルブ４を備えている。エアークリーナ１７からエンジンへ向かう吸気管１６はＥＧＲ返還位置の上流側に吸気調節バルブ弁５を備えている。ＥＧＲ管を分岐させた後、排気管は更に延びて、その途中に排気調節バルブ６及び還元剤供給管１３を、次いで温度センサ１０を備え、それらの下流に、ＮＯｘ吸蔵還元触媒８及びＤＰＦ９を内臓している。ＤＰＦの下流側にはＮＯｘセンサ１１が備えられている。排気管は、最後に消音マフラを備えている。還元剤供給管１３は、ポンプ７を介して還元剤タンクから還元剤（例えば、軽油）を供給される。エンジンには回転センサ１４及び負荷センサ１５が設置され,検知データをコンピュータ１２ヘ送っている。温度センサ１０及びＮＯｘセンサ１１も検知データをコンピュータ１２へ送っている。コンピュータはこれらの入力データに基づき、吸気調節バルブ５、ＥＧＲ調節バルブ４、排気調節バルブ６、還元剤供給ポンプ７のいずれかを単独または適切な組合わせで作動させて必要なリーン状態またはリッチ状態を形成し、また触媒再生に適切な温度条件を生じさせる。
上記の装置において、ディーゼルエンジン１より排出されたＮＯｘ、パティキュレートは、排気管２を通り、ＮＯｘはＮＯｘ吸蔵還元触媒８に吸蔵され、パティキュレートはＤＰＦ９に捕捉される。ＮＯｘ吸蔵還元触媒８では、ＮＯｘ、例えばＮＯは，主としてＮＯ₂に酸化されて吸蔵されるが、その吸蔵限界付近またはそれを越えると、ＮＯ₂の形で触媒出口に排出され（ＮＯ₂破過）、ＤＰＦ上に捕捉のパティキュレートを酸化、浄化する。一方、ＮＯｘ吸蔵触媒８上の吸蔵ＮＯｘの存在をＮＯｘセンサによって推定し、触媒入口の温度が適切であることをチエックしたうえで、リッチ状態を形成させてＮＯｘ吸蔵触媒８の再生を実施する。この時に煙（パティキュレート）がエンジンから排出されるが、ＤＰＦ９で捕捉され、これは前記のように適時に酸化、浄化されるので不都合はない。
【０００５】
図２に本発明の第一の態様による装置の実施で観察されるリーン状態、リッチ状態での空燃比（λ）（上段）及びＮＯｘ吸蔵還元触媒の出口側でのＮＯｘ（ＮＯ₂）濃度（下段）の対時間の変化をパターン線図で示す。約２を超える程度のλ値のリーン状態で通常は運転されており、ＮＯｘ吸蔵還元触媒からのＮＯ₂破過が増加して、それの酸化剤としての作用によりＤＰＦのクリーニングが迅速に、かつ余り高温度を必要とせずに行われ、次いで空燃比値をリッチ状態に切替えて（λ＜１）、添加されるＨＣ分等の還元性成分により、ＮＯ₂で飽和状態にあるＮＯｘ吸蔵還元触媒を還元再生する。このリッチ状態の継続は、前述のように、数秒間のオーダーの短時間で足りる。
【０００６】
図１に示した第一の態様では、排気ガスの一部を再循環させるための再循環通路が触媒及びＤＰＦの上流側に設けられた排気ガス導入口を有しているが、そのような排気ガス導入口をＤＰＦの下流側に設けてもよく、同様なＤＰＦクリーニング効果を達成できる。
【０００７】
本発明の第二の態様によれば、ディーゼルエンジンからの排気ガス中のパテキュレートを濾過除去するために排気管系内に設けたフィルタ（ＤＰＦ）自体に捕捉パティキュレートを酸化燃焼させる触媒を担持させてなるＤＰＦクリーニング装置において、該触媒が銀；銅及びその酸化物；ならびに銀、銅及びその酸化物とセリアの組合せ；のいずれかを含むことを特徴とするＤＰＦクリーニング装置が提供される。該触媒は、白金からなるものでもよく、また白金、銀、銅及びセリアの組合わせからなるものでもよい。
【０００８】
この本発明第二態様のクリーニング装置は、例えば、前述のようなコージェライト製の通気性微細孔性隔壁を有するモノリス多管構造体の形のＤＰＦを、触媒金属化合物及びバインダーを含む水性スラリーに浸漬し、引き揚げて乾燥、焼成するという一般的に公知のディップコート法により調製できる。原料の触媒金属化合物は、水溶性であるのが好ましい。例えば、硝酸銀（ＡｇＮＯ₃），硝酸銅［Ｃｕ（ＮＯ₃）₂］等である。セリア（酸化セリウム）は、微粉末の形で使用される。バインダーは、好ましくはアルミナゾル、シリカゾル等であり、当業者であれば容易に選択採用できよう。
【０００９】
この態様のＤＰＦに触媒を担持しないで、捕捉パティキュレートを酸化燃焼させるためには、一般的に、約６００℃以上の温度が必要とされるが、このような高温度は通常のディゼルエンジン運転条件で発生することは余りなく、全負荷域のみである。従って、例えば電熱手段によりＤＰＦをそのような高温度にまで加熱するか、あるいは排気ガスの温度がそのような高温度になる希な場合を除いて、捕捉パィテキュレートは、ＤＰＦから除去され得ない。しかるに、本発明のこの態様の触媒担持ＤＰＦでは、パティキュレートの燃焼開始温度が大幅に引き下げられ、ディーゼルエンジンの通常の運転条件における排気ガス温度としてしばしば発生する範囲と略一致する４００〜４５０℃程度になってくることが見出された。例えば、実験例において、銀担持ＤＰＦではパティキュレートの燃焼開始温度が約４５０℃であり、銅担持ＤＰＦでは燃焼開始温度が約４３０℃、銀／銅／セリア担持ＤＰＦでは燃焼開始温度が約４００℃であることが観察され、概略中負荷域から全負荷域にまで及ぶ相当広い温度範囲でＤＰＦの自己クリーニングをなし得ることが知見された。この結果は、図８にグラフで示されている。図８には、比較のために無担持ＤＰＦを用いた場合の結果も併せて示してあり、図中の「ベースライン」とは、無担持ＤＰＦでの燃焼開始温度を意味するものであり、この値は、一般的にはほぼ５５０℃ないし６００℃の範囲内である。
【００１０】
しかして、本発明の第二態様による特殊触媒担持ＤＰＦクリーニング装置は、ＤＰＦの自己クリーニングに関して、通常のディゼルエンジンの運転条件下での排気ガス温度範囲の可なりの部分をカバーすることができる。しかしながら、この態様のクリーニング装置は、必要に応じて、前記の公知の電熱手段によるクリーニングや気体流による逆洗クリーニングを補助的に併用し、ＤＰＦクリーニング可能温度範囲を（特に低温側へ）拡張し、その実用性を高めることができる。たとえ補助的に電熱手段によるクリーニング装置を併設したとしても、電熱クリーニングの操作の機会及び時間は少なくて済み、そのための消費電力も少ない。またパティキュレート捕捉により汚染または目詰りしたＤＰＦを気体流により逆洗する方式を併用する場合においても、逆洗操作の頻度を顕著に減少することができる。
【００１１】
本発明の第三の態様は、ＤＰＦの上流側に貴金属系酸化触媒を設けておき、排気ガスの組成中の一部の成分、例えばＮＯｘ、ＳＯＦ（有機溶媒可溶性有機物質）について予め変性してから排気ガスをＤＰＦに流入させる方式のＤＰＦクリーニング装置である。この第三の態様の装置は、排気ガスの一部を吸気管へ戻す排気ガス再循環（ＥＧＲ）方式ディーゼルエンジンにおいて、吸気管系に吸気調節バルブを備え；排気管系には排気ガス再循環通路、排気調節バルブ、貴金属系酸化触媒、排気ガス中のパティキュレートを濾過除去するためのＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）を直列に備え；エンジンの運転中に、吸気調節バルブによる吸気量、排気調節バルブによる排気ガス量及びＥＧＲによる再循環排気ガス量の少なくとも一つの調節を行って、該貴金属系酸化触媒及びＤＰＦに流入する排気ガスの温度を制御してＤＰＦへのパティキュレート堆積防止、あるいはパティキュレートによるＤＰＦ目詰り防止のために適切な酸化雰囲気の条件を形成することを特徴とするＤＰＦクリーニング装置である。
【００１２】
本発明の第三の態様を説明する前に、ＤＰＦの上流側に酸化触媒を組合わせて配置して排気ガスを処理する場合のディーゼルエンジンの通常の条件下における排気ガスの種々の範囲の温度でのパティキュレートに対する酸化触媒の作用の概要を述べる。（１）約１００〜２５０℃の温度範囲では、パティキュレートの中のすす（ｓｏｏｔ）成分は酸化触媒に接触しても燃焼せずＤＰＦへ向かい、そこで捕捉される。またパティキュレート中の有機溶媒可溶性有機物質（ＳＯＦ）は酸化触媒によって部分的に燃焼され、低減される。従って、この温度範囲では下流側にあるＤＰＦへパティキュレートの殆どが行き、そこで捕捉される。（２）約２５０〜４５０℃の温度範囲では、排気ガス中のＮＯｘ（例えば、ＮＯ）が酸化触媒によってＮＯ₂に酸化される（例えば、ＮＯ＋Ｏ₂⇒ＮＯ₂）。このＮＯ₂が酸化剤として働き、ＤＰＦ上に堆積しているパティキュレート（主に、すす成分）を燃焼させ、これによりＤＰＦがクリーニングされ、再生される（例えば、ＮＯ₂＋Ｃ⇒Ｎ₂＋ＣＯ₂）。この温度範囲ではＳＯＦは良好に酸化され、低減される。（３）約４５０〜５５０℃の温度範囲では、上記のＮＯｘ酸化反応が平衡から逆方向に転じて、ＤＰＦのクリーニングのための酸化剤として有用なＮＯ₂の生成が減少し，あるいはＮＯ₂がＮＯｘ（例えば、ＮＯ）へ戻ってしまう。従って、このように、酸化剤の減少ないしは不存の下ではすすの燃焼が次第に減少し始め，ＤＰＦ上のパティキュレートの除去ができなくなる。（４）約５５０℃を超える温度範囲では、パティキュレートは自己燃焼するので、ＤＰＦは自己再生できる。本発明者等は、ＤＰＦ上へのパティキュレートの堆積が生じる段階、すなはち上記の約１００〜２５０℃の温度範囲（１）;及びＤＰＦ上に堆積したパティキュレートの燃焼除去が停止ないし低減される段階、すなはち上記の約４５０〜５５０℃の温度範囲（３）の存在に注目し、これら二つの温度範囲で現れる現象を生じさせないために、排気ガスの温度を制御し、上記（１）の温度範囲の場合には（２）の温度範囲にシフトさせ、そして上記（３）の温度範囲の場合には（４）の温度範囲にシフトさせることを着想した。
【００１３】
従って、本発明の第三の態様は、上記（１）の約１００〜２５０℃及び（３）の約４５０〜５５０℃の両温度範囲では、パティキュレートがＤＰＦ上に堆積し、あるいはＤＰＦ上に堆積したパティキュレートが燃焼除去されないという事実に鑑み、排気ガスの温度がこのような両範囲内にある時には、吸気調節バルブ、排気調節バルブ及びＥＧＲの内の少なくとも一つの手段を用いて、それぞれの一段上の温度範囲まで［すなはち、（１）から（２）ＮＯ₂酸化剤生成段階へ；（３）から（４）の自己燃焼段階へ］排気ガス温度を上昇させることにより、パティキュレートがＤＰＦ上に堆積せず、そしてＤＰＦ上に堆積しているパテキュレートが燃焼除去されるようにしたものである。この態様における排気ガスの温度制御手段の個々の作用に付いては、説明するまでのないが、ＥＧＲによる排気ガス中の炭化水素分（ＨＣ）濃度の増加；吸気調節バルブ及び／または排気調節バルブによる排気ガス量の減少；そして触媒による酸化反応の発熱；の内の少なくとも一つを、本発明では適宜に使用する。これらの温度制御手段の操作は、コンピュータで行うことができる。この態様において、場合によっては、酸化触媒を省いても、ＥＧＲ及び吸気調節バルブ／排気調節バルブの適切な適用により目的とする必要な温度制御を行うことが可能であり、この酸化触媒省略態様は、本発明の第三の態様の一改変態様である。
【００１４】
図３は、本発明の第三の態様による具体的装置の一例の概略図である。図３に示した装置では、、ディーゼルエンジン１からマニホルドを経て排気管２が延び、その途中からＥＧＲ管３が分岐し、エンジンの吸気管１６へ戻りＥＧＲ通路を形成しいている。ＥＧＲ管は、途中にＥＧＲ調節バルブ４を備えている。エアクリーナ１７からエンジンへ向かう吸気管１６は、ＥＧＲ返還位置の上流側に吸気調節バルブ５を備えている。ＥＧＲ管を分岐させた後、排気管は更に延びて、その途中に排気調節バルブ６、温度センサ１０を備え、それらの下流のところで、断面積を増大させて、貴金属系酸化触媒８及びＤＰＦ９を内蔵し、最後に消音マフラ（図示せず）を備えている。排気ガスの温度を検出している温度センサ１０の検知データは、コンピュータ１２へ送られる。コンピュータは、その温度値に応じて、ＥＧＲ調節バルブ４、吸気調節バルブ５、排気調節バルブ６の内の少なくとも一つ、あるいは適切な組合わせを作動させる出力信号を送り出して、前述のような温度範囲１（約１００〜２５０℃）から温度範囲２（約２５０〜４５０℃：酸化によるＤＰＦ浄化段階）へのシフト、ならびに温度範囲３（約４５０〜５５０℃）から温度範囲４（自己燃焼段階）へのシフトを行う。参考のために、排気ガス温度データによるコンピュータ制御のフローチャートの一例を図９に例示する。図中の温度値は例示であり、限定的な値ではない。
【００１５】
この第三の態様の好ましい別の具体例においては、酸化触媒及びＤＰＦより上流のところに、ＤＰＦの目詰りの度合、あるいはその汚染度を検知するために圧力センサを備えておきその検出データをコンピュター１２へ送り、大気圧に比較して排気管内の排気ガス圧が、予め定めた許容範囲内の所定の値、例えば２００ｍｍＨｇ，を超えたことが検知された時に、ＥＧＲ調節バルブ、吸気調節バルブ、排気調節バルブの少なくとも一つ、あるいは適当な組合わせを作動させて上記の排気ガスの温度シフトを行うこともできる。参考のために上記の圧力データによるコンピュータ制御の場合のフローチャートの一例を図１０に例示する。図中の圧力値は、例示であり、限定的ではない。
【００１６】
このような具体例では、さらにはＤＰＦクリーニング操作実施の判断基準として、排気ガスの温度パラメーターに加えて圧力パラメーターを採用することもでき、所定の排気ガス圧力が検出されるまでクリーニング操作実施開始を延期する制御を行えば、一般にＤＰＦクリーニングの頻度が低減するという実用上の利点がある。これらの場合に、圧力センサからの圧力値データによりＤＰＦクリーニング操作完結点が判断され、コンピュターからの操作停止信号が出される。
【００１７】
本発明の第三態様において使用する酸化触媒は、貴金属、例えば白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）を担体、例えばアルミナに担持させてなり、実際には水溶性貴金属化合物、アルミナＺ粉末及びバインダー（例えばアルミナゾル、シリカゾル）を水と均質に混合して水性スラリーとなし、これに耐火性セラミック（例えば、コージェライト製）ハニカム担体を浸漬し、引き揚げ、乾燥し、焼成する、公知のディップコート法によって製造することができる。
【００１８】
本発明の上記第一ないし第三態様の説明は、排気ガスの一部を再循環通路へ導くのに触媒（ＮＯｘ吸蔵触媒または酸化触媒）やＤＰＦの上流側から導入する場合に付いてなされたが、これらいずれの態様においても、該排気ガス再循環導入口をＤＰＦの下流側に設けても（図４参照）、本発明の目的、効果が同等に達成されることが確認された。従って、排気ガス再循環通路の排気ガス導入口をＤＰＦの下流側に設けることも、本発明の範囲内である。図４は、排気管系のＤＰＦ設置部分の拡大図であり、ＤＰＦ９の下流側にＥＧＲ管３への排気ガス導入口を設けた場合を示している。
【００１９】
本発明の上記のいずれの態様においても、ディーゼルエンジンに回転センサや負荷センサを取り付けて、それらからの情報をコンピュータに入力してＤＰＦクリーニング装置の操作のための制御出力の確度を向上することが可能である。
【００２０】
更に本発明は、別のＮＯ₂再生型のＤＰＦクリーニング装置も提供する。すなわち、ディーゼルエンジンからの排気管系内にＮＯｘ酸化触媒及びＮＯ₂再生型ＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）を直列に配置して備え、通常はＮＯｘ酸化触媒の作用でＮＯｘから生成されるＮＯ₂の酸化力によりＤＰＦ上の捕集堆積パティキュレートを酸化燃焼により除去するディーゼルエンジンＤＰＦクリーニング装置であって、（イ）該ＤＰＦにおけるパティキュレートのある所定量以上の過多堆積を該ＤＰＦの前後に配置した圧力センサで測定される背圧上昇値により検出する手段；（ロ）排気ガスの温度、ＮＯｘ濃度等の状態を検出するセンサ手段；（ハ）上記（イ）及び（ロ）手段の検出信号を入力されて、ＤＰＦ上の過多堆積パティキュレートを除去するために必要なＮＯ₂となるＮＯｘを一時的に増量発生させるため、かつ該過多堆積パティキュレートの酸化燃焼除去に適当な温度等の条件を排気ガス中に一時的に発生させるためにディーゼルエンジンに対する燃料噴射タイミングを進角方向またはタイミングを遅らせる方向に変位設定する指令信号を燃料噴射ポンプに向けて出力し、このタイミング変位燃料噴射の結果として過多堆積パティキュレートの除去が完了ないし所望の程度まで終了した時点を上記圧力センサ手段（イ）からの検出信号から判定して燃料噴射タイミングを元の通常位に戻す指令信号を燃料噴射ポンプに向けて出力するエレクトロニクス・プロセッサ手段；を備えたことを特徴とする上記ＤＰＦクリーニング装置である。この態様のＤＰＦ自体に酸化触媒を含ませることにより、堆積パティキュレートの酸化燃焼を助長し、その除去効果を改善することが可能である。
【００２１】
上記のＮＯ₂再生型ＤＰＦクリーニング装置の一例を図５に概略図で示す。ディーゼルエンジン５１から排出された排気ガスは、排気マニホールド５２、排気管５３を通り、後続のＤＰＦクリーニング装置本体５４に導入される。ＤＰＦクリーニング装置本体５４の内部は、上流側にＮＯｘ酸化触媒６１を、下流側にパティキュレート捕集装置であるＤＰＦ６２を配置した構造である。排気ガスがＤＰＦクリーニング装置に導入されると、まずＮＯｘ酸化触媒６１を通過し、ＤＰＦ６２でパティキュレートが捕集され、他の成分は排気管を通じて外へ放出される。この際に、排気ガス温度がほぼ２００〜４５０℃の領域ではＮＯｘ触媒が有効に作用して排気ガス中のＮＯｘ（主としてＮＯ）が酸化されて強酸化力を有するＮＯ₂となる。ＤＰＦに捕集され、堆積したパティキュレートは、この強い酸化力のＮＯ₂を利用して燃焼除去することができる。
【００２２】
本発明では、ＮＯ₂によるパティキュレートの酸化燃焼除去を完全にかつ安定的に行うために、各種センサを用いてＤＰＦ６２におけるパティキュレートの捕集堆積及びＤＰＦの再生の状態を検知し、必要に応じて（例えばＤＰＦに過度のパティキュレートが堆積したとき、あるいはそのような状態が生じつつあるとき）、エンジンの運転状態を（主に燃料の噴射タイミング）を制御して、ＤＰＦの再生のため、あるいはＤＰＦへのパティキュレートの更なる堆積を防止するために、排気ガスの温度範囲、ＮＯ₂発生促進及びパティキュレート発生阻止を最適化するものである。ＤＰＦクリーニング装置本体５４でのパティキュレート捕集量とパティキュレート酸化燃焼除去量とのバランスが崩れてＤＰＦ６２へのパティキュレートの堆積が増加し始めると、ＤＰＦの前後に配置されている圧力センサ５９が背圧上昇を検出し、その背圧（上昇）値信号がＥＣＵ／ＥＤＵ５５へ送られ、またその他の運転状況を把握し、モニタリングするためのデータ信号も回転センサ５６、アクセル（負荷）センサ５７、ＮＯｘセンサ５８、温度センサ６０からＥＣＵ／ＥＤＵ５５へ入力されている（図５参照）。これらのデータに基づき、ＥＣＵ／ＥＤＵ５５から、排気ガス温度の最適化（好適には約３００〜４００℃の範囲）やＮＯ₂の発生の促進を行うために燃料噴射ポンプ６３に対して噴射タイミングの変更（主に進角）を指示する信号を送る。
【００２３】
上記の制御によりＤＰＦに堆積しているパティキュレートが燃焼し始めると、圧力センサ５９及び温度センサ６０が、パティキュレートの燃焼に伴う排気ガスの温度上昇及び背圧の低下を検知し、ＥＣＵ／ＥＤＵ５５がＤＰＦ６２の再生状況を判断して、必要により再度エンジンの制御を行いＤＰＦでのパティキュレート除去が終了したと判断されるまでこのサイクルを繰り返す。図６に上記ＥＣＵ／ＥＤＵ制御の入出力のブロック図を示す。この図では、種々のセンサ６〜９からの検出データ信号入力と、それらのデータの分析処理後の燃料噴射ポンプへの指示信号出力とが表されている。
【００２４】
従来のＮＯ₂再生型ＤＰＦクリーニング装置では、前述のように可なり限られた温度域において排気ガス中のＮＯｘを触媒を用いて酸化力の強いＮＯ₂に酸化し、発生したＮＯ₂により、ＤＰＦに捕集され、堆積したすす（パティキュレート）を燃焼除去しＤＰＦを再生するものであり、連続再生トラップとも称されるが、必要とされるＮＯ₂の発生が排気ガス温度に依存するので、例えば約２００℃までの低温域ではＮＯｘ⇒ＮＯ₂の変換が抑制され、パティキュレート除去が行われずかつＤＰＦでのパティキュレートの捕集が継続するので、ある程度の期間でＤＰＦ上のパティキュレートの堆積量が次第次第に増大してＤＰＦの目詰まりが生じ、そこで背圧の過大な上昇が発生し、エンジン運転性能の低下を引き起こしかねない。
【００２５】
上記のような従来技術の欠点と対照的に、図５及び６に示された本発明のＤＰＦクリーニング装置では、排気ガス温度が低温域にあり、ＤＰＦでのパティキュレートの堆積が見込まれる場合には、エンジンの運転状態を（主に燃料の噴射タイミングを進角方向またはタイミングを遅らせる方向に変位することにより）、パティキュレートの除去に好適な排気ガス条件を生じさせるように制御するので、ＤＰＦ上でのパティキュレート堆積量の経時的増加を有効に防止でき、従って長期間にわたるメインテナンスフリーで安定的なＤＰＦ性能維持が可能である。
【００２６】
本発明は、更に別の態様のＮＯ₂再生型ＤＰＦクリーニング装置も提供する。すなわち、ディーゼルエンジンからの排気管系内に必要応じて加熱用燃料を供給する手段；供給された燃料を燃焼させて高温度を得てＮＯｘを酸化力の高いＮＯ₂に転化させる酸化触媒；及びパティキュレートを濾過除去するためのＮＯ₂再生型ＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）；を直列に配置してなるＤＰＦクリーニング装置において、該酸化触媒にヒータ加熱手段を備えて、流入排気ガスの温度が該酸化触媒でのＮＯｘのＮＯ₂への転化のために低すぎてＤＰＦクリーニングのために必要な量のＮＯ₂が生じない場合には、該ヒータ加熱手段を作動させて酸化触媒の温度を上昇させ所要量のＮＯ₂を発生させＤＰＦ上に堆積しているパティキュレートの除去を所要の程度まで行い、かつこれらの操作に際して、エンジンの回転数センサ、負荷センサ及び排気ガス温度センサからもたらされるデータ信号を入力され、それらに基づき加熱用燃料供給のＯＮ／ＯＦＦ及びその供給量調節、ならびにヒータ加熱のＯＮ／ＯＦＦ及びその加熱強度調節の制御信号を出力するコンピュータを備えていることを特徴とする上記ＤＰＦクリーニング装置である。本装置では、パティキュレートがＤＰＦに到達する以前にヒータ加熱で燃焼除去されるようにヒータ加熱を制御することもできる。上記のＤＰＦ自体にパティキュレートの酸化燃焼を促進する酸化触媒を含ませることもでき、このような触媒の付加採用によってＤＰＦクリーニング効果を一層改善することができる。
【００２７】
図７に上記の加熱用燃料供給／ヒータ加熱式のＤＰＦクリーニング装置の一実施例の概略を示す。ディーゼルエンジン１０１からの排気管１０２に加熱用燃料（一般的には軽油等の炭化水素類）を供給する手段として燃料供給ポンプ１０５と燃料供給ノズル１１３が取付けられ、その下流側にヒータ加熱手段付き触媒１０７とＤＰＦ１０８が取付けられ更にマフラ１０９が取付けられている。コンピュータ１１１には、エンジンに取付けられた回転センサ１０３、負荷センサ１０４と、排気管に取付けられた温度センサ１１４で検出されたデータ信号が入力されている。これらの入力データに基づきコンピュータ１１１は加熱用燃料供給が必要と判断されたときには燃料供給ポンプ１０５に作動指示信号を発し、またヒータ付き触媒１０７とその作動のための電流供給の電源（電池）とに接続されたコントローラ１１２に対しても指示信号を発する。この制御は、加熱用燃料供給のＯＮ／ＯＦＦ及びその供給量、ならびにヒータ加熱のＯＮ／ＯＦＦ及び加熱強度についてなされる。ヒータ付き触媒１０７は、例えばステンレスシートをコイル巻きした本体からなり、表面に酸化触媒をコーティングし、電熱線を備えたものである。ＤＰＦ１０８は、前記のものと同様に例えばコージェライト製あるいはＳｉＣ製のフィルタである。本発明のこの態様のＤＰＦクリーニング装置では、排気ガスの温度が低い領域であってもＤＰＦ捕集パティキュレートを燃焼除去することができ、ＤＰＦの目詰まりを効果的に防止することができ、その結果として長期間にわたるＤＰＦの良好な性能維持が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一態様のＤＰＦクリーニング装置の概略図。
【図２】図１の装置のリーン及びリッチ状態とＮＯｘ吸蔵還元触媒出口側のＮＯｘ濃度の対時間パターン線図。
【図３】本発明の第三態様のＤＰＦクリーニング装置の概略図。
【図４】ＤＰＦの下流側に設けられたＥＧＲ管への排気ガス導入口を示す部分拡大図。
【図５】本発明によるＮＯ₂再生型のＤＰＦクリーニング装置の一態様例の概略図。
【図６】図５の装置制御のためのＥＣＵ／ＥＤＵ入出力フローチャート。
【図７】本発明によるＮＯ₂再生型のＤＰＦクリーニング装置の別の態様例の概略図。
【図８】種々の触媒担持ＤＰＦのパティキュレート燃焼開始温度を無担持ＤＰＦの値と比較して示すグラフ。
【図９】排気ガス温度データによるＤＰＦクリーニングのコンピュータ制御のフローチャートの一例。
【図１０】排気ガス圧力データによるＤＰＦクリーニングのコンピュータ制御のフローチャートの一例。
【符号の説明】
１ディーゼルエンジン
２排気管
３ＥＧＲ管
４ＥＧＲ調節バルブ
５吸気調節バルブ
６排気調節バルブ
７還元剤供給ポンプ
８ＮＯｘ吸蔵還元触媒（または貴金属系酸化触媒）
９ＤＰＦ
１０温度センサ
１１ＮＯｘセンサ
１２コンピュータ
１６吸気管
１７エアクリーナ
５１ディーゼルエンジン
５２排気マニホールド
５３排気管
５４ＤＰＦクリーニング装置本体
５５ＥＣＵ／ＥＤＵ
５６回転センサ
５７アクセル（負荷）センサ
５８ＮＯｘセンサ
５９圧力センサ
６０温度センサ
６１ＮＯｘ酸化触媒
６２ＤＰＦ
６３燃料噴射ポンプ
１０１ディーゼルエンジン
１０２排気管
１０３回転センサ
１０４負荷センサ
１０５加熱用燃料供給ポンプ
１０６燃料（軽油）タンク
１０７加熱ヒータ（場合により触媒付き）
１０８ＤＰＦ
１０９マフラ
１１０ヒータ電源（電池）
１１１コンピュータ
１１２コントローラ
１１３加熱用燃料供給ノズル
１１４温度センサ

Claims

排気ガスの一部を吸気管へ戻す排気ガス再循環（ＥＧＲ）方式のディーゼルエンジンにおいて、吸気管系に吸気調節バルブを備え；排気管系には排気ガス循環通路、排気調節バルブ、還元剤供給系の内の一つまたは複数と、ＮＯｘ吸蔵還元触媒、排気ガス中のパティキュレートを濾過除去するためのＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）を直列に備え；（１）通常のリーン状態での運転中にＮＯｘ吸蔵還元触媒によってＮＯを主としてＮＯ_２の形に酸化してその触媒に吸蔵せしめ、さらにこのリーン状態での運転を継続してＮＯｘ吸蔵還元触媒の吸蔵能力をこえて吸蔵させてＮＯ_２の破過を生じるようにして、その破過ＮＯ_２を酸化剤として作用させて下流にあるＤＰＦ上に捕捉されているパティキュレートを酸化除去し、所望のＤＰＦクリーニングを達成した時点で、このリーン状態での運転を終了し、（２）次いで、吸気調節バルブ、ＥＧＲ、排気調節バルブ、還元剤導入の内の一つまたはそれ以上の手段によってリッチ運転状態へと切り替え、そうすることにより既にＮＯｘ吸蔵触媒に吸蔵されているＮＯ_２を還元除去してＮＯｘ吸蔵触媒を再生させ、その再生が完結した時に、再び上記の（１）リーン状態下での運転継続及びＮＯ_２破過によるＤＰＦクリーニングへ戻り、次いで（２）のリッチ状態下でのＮＯｘ吸蔵還元触媒再生を行うサイクルを繰り返す、ことを特徴とするＮＯｘ吸蔵還元触媒併置式ＤＰＦクリーニング装置。