JP3948437B2 - 排気ガス浄化方法及び排気ガス浄化システム - Google Patents
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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等の内燃機関の排気ガスに対して、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒によるＮＯｘの浄化と連続再生式ＤＰＦのよるＰＭの浄化を行う排気ガス浄化方法及び排気ガス浄化システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンから排出されるＮＯｘ（窒素酸化物）と粒子状物質（ＰＭ：パティキュレートマター：以下ＰＭとする）の排出量は、ＣＯ（一酸化炭素）そしてＨＣ（炭化水素）等と共に年々規制が強化されてきており、規制の強化に伴いエンジンの改良のみでは規制値に対応できなくなっており、エンジンから排出されるこれらの物質を排気ガス処理システムを着装して低減する技術が採用されてきている。
【０００３】
そして、ＮＯｘに対しては多くのＮＯｘ浄化触媒が開発され、ＰＭに対してはディーゼルパティキュレートフィルタ（Diesel Particulate Filter ：以下ＤＰＦとする）と呼ばれるフィルタが開発されている。
【０００４】
このＮＯｘ浄化触媒の一つにＮＯｘ吸蔵還元型触媒がある。このＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、アルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）等の多孔質の触媒コート層に、ＮＯｘに対して酸化機能を持つ白金（Ｐｔ）等の触媒金属と、ナトリウム（Ｎａ），カリウム（Ｋ），セシウム（Ｃｓ）等のアルカリ金属、カルシウム（Ｃａ），バリウム（Ｂａ）等のアルカリ土類金属、イットリウム（Ｙ），ランタン（Ｌａ）等の希土類等の中の一つ又は幾つかの組合せからなるＮＯｘ吸蔵機能を持つＮＯｘ吸蔵材が担持され、排気ガス中のＯ2 （酸素）濃度によってＮＯｘ吸蔵とＮＯｘ放出・浄化の二つの機能を発揮する。
【０００５】
まず、ディーゼルエンジンや希薄燃焼ガソリンエンジン等の通常の運転状態のように、排気ガス中のＯ2 濃度が高い排気ガス条件（リーン空燃比状態）では、排出されるＮＯ（一酸化窒素）が触媒金属の酸化機能により、排気ガス中に含まれるＯ2 で酸化されてＮＯ2 （二酸化窒素）となり、このＮＯ2 は、ＮＯｘ吸蔵材で塩化物のかたちで吸蔵されるので、排気ガスは浄化される。
【０００６】
しかし、このＮＯｘの吸蔵が継続すると、バリウム等のＮＯｘ吸蔵材は、硝酸塩に変化し、次第に飽和してＮＯ2 を吸蔵する機能を失ってしまう。そこで、エンジンの運転条件を変えて過濃燃焼を行って、低Ｏ2 濃度、高ＣＯ濃度で排気温度の高い排気ガス（リッチスパイクガス）を発生させて触媒に供給する。
【０００７】
この排気ガスのリッチ空燃比状態では、ＮＯ2 を吸蔵し硝酸塩に変化したＮＯｘ吸蔵材は、吸蔵していたＮＯ2 を放出し、元のバリウム等に戻る。この放出されたＮＯ2 は、排気ガス中にＯ2 が存在しないので、排気ガス中のＣＯ，ＨＣ，Ｈ2 を還元剤として触媒金属上で還元され、Ｎ2 及びＨ2 Ｏ，ＣＯ2 に変換され浄化される。
【０００８】
しかし、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を使用する場合に、単独ではＰＭ中のＳＯＯＴ成分を燃焼できないので、ＤＰＦとの組合せ、又は、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ浄化機能とＤＰＦのＰＭ浄化機能の一体化が必要となる。
【０００９】
この一体化の一つに、ＤＰＦの再生のために外部から供給するエネルギーを低減し、捕集されたＰＭの着火を容易にする手段の提供を目的に、ＤＰＦとＮＯｘ吸収剤（ＮＯｘ吸蔵還元型触媒）とを相互に熱伝達可能な位置に配置、具体的には、ＤＰＦにＮＯｘ吸収剤を担持した内燃機関の排気ガス浄化装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【００１０】
【特許文献１】
特開平０６−１５９０３７号公報 （第２頁）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ浄化機能とＤＰＦのＰＭ浄化機能を備えた排気ガス浄化システムにおいては、ＮＯｘ浄化率とＰＭ蓄積量とのバランスが問題となる。
【００１２】
つまり、図６に示すようなＰＭが自己着火するような排気温度（ＤＰＦに担持される触媒により左右されるが、概ね３００℃〜４００℃以上）の高負荷域のエンジンの運転領域では、ＮＯｘ浄化率を高めるためには、ＮＯｘを放出及び還元するリッチ燃焼の頻度を増加すればよいが、この運転領域は燃焼温度の高い領域であるので、このリッチ燃焼時に大量のＰＭが発生する。
【００１３】
この場合、ＰＭの発生量が自己着火して燃焼する速度よりも少なければ、ＤＰＦにＰＭは蓄積されていないが、ＮＯｘ浄化率は減少する。一方、ＮＯｘ浄化率を高めるためにリッチ度（頻度、リッチ深さ、還元剤供給量等）を増してＰＭの発生量が多くなった場合には、ＤＰＦにおけるＰＭの蓄積量が徐々に増加していき、このＰＭ蓄積量が限界を超えた場合には異常燃焼やこれに起因する溶損の危険性が生じる。そのため、エンジンの運転領域が高負荷域であってもＰＭの強制燃焼によるＤＰＦ再生が必要となる。
【００１４】
このＮＯｘ浄化率とＰＭ蓄積量（差圧増加率）と関係を、図７に示す。ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ浄化率回復のための触媒再生制御で、リッチ度を減少させると、ＰＭの発生量がＰＭの燃焼量より小さくなる（差圧増加率がマイナス）が、ＮＯｘ浄化率も低下する。一方、リッチ度を増加させてＮＯｘ浄化率を上げると、ＮＯｘ浄化率は増加するが、ＰＭの発生量がＰＭの燃焼量より大きくなる（差圧増加率がプラス）。
【００１５】
本発明は、上述の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒によるＮＯｘ浄化機能と連続再生式ＤＰＦによるＰＭ浄化機能とを組み合わせた排気ガス浄化システムにおいて、ＤＰＦの連続再生可能な範囲で最適なＮＯｘ浄化率を維持することができる排気ガス浄化方法及び排気ガス浄化システムを提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
以上のような目的を達成するための排気ガス浄化方法は、内燃機関の排気ガスに対してＮＯｘ吸蔵還元型触媒によるＮＯｘ浄化と連続再生式ＤＰＦによるＰＭ浄化を行い、前記ＤＰＦに流入する排気ガスの温度を検出する温度センサと、前記ＤＰＦの前後差圧を検知する差圧センサと、前記ＤＰＦの単位時間当たりの差圧増加率を算出する制御装置を備えた排気ガス浄化システムにおいて、前記温度センサで検出した排気ガスの温度がＰＭの自己燃焼温度以上であって、かつ、前記差圧増加率が所定の差圧増加率判定値以上の時に、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を再生するための触媒再生制御で行うリッチ制御において、リッチ度を減少するように構成される。
【００１７】
あるいは、内燃機関の排気ガスに対してＮＯｘ吸蔵還元型触媒によるＮＯｘ浄化と連続再生式ＤＰＦによるＰＭ浄化を行い、前記ＤＰＦに流入する排気ガスの温度を検出する温度センサと、前記ＤＰＦの前後差圧を検知する差圧センサと、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の前後のＮＯｘ濃度を検出する第１ＮＯｘ濃度センサ及び第２ＮＯｘ濃度センサと、前記ＤＰＦの単位時間当たりの差圧増加率を算出し、かつ、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒前後のＮＯｘ濃度からＮＯｘ浄化率を算出する制御装置を備えた排気ガス浄化システムにおいて、前記温度センサで検出した排気ガスの温度がＰＭの自己燃焼温度以上で、かつ、前記差圧増加率が所定の差圧増加率判定値以下であって、前記ＮＯｘ浄化率が所定のＮＯｘ浄化率判定値以上の時に、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を再生するための触媒再生制御で行うリッチ制御において、リッチ度を増加するように構成される。
【００１８】
そして、上記の排気ガス浄化方法において、前記温度センサで検出した排気ガスの温度がＰＭの自己燃焼温度以上であって、かつ、前記差圧増加率が所定の差圧増加率判定値以上の時に、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を再生するための触媒再生制御で行うリッチ制御において、リッチ度を減少するように構成される。
【００１９】
このリッチ度の減少とは、標準のリッチ制御よりも、リッチ制御を行うインターバルを長くしてリッチ頻度を減少させたり、リッチ制御を行う際に目標酸素濃度を低めに設定して、還元剤供給量を少なくして、排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）を大きく、空気過剰率（λ）を低くして、リッチ深さを浅くしたり、あるいは、両方を行うことである。
【００２０】
また、このリッチ度の増加とは、標準のリッチ制御よりも、リッチ制御を行うインターバルを短くしてリッチ頻度を増加させたり、リッチ制御を行う際に目標酸素濃度を高めに設定して還元剤供給量を多くして、排気ガスの空燃比を小さく、空気過剰率を高くして、リッチ深さを深くしたり、あるいは、両方を行うことである。
【００２１】
そして、これらの構成の排気ガス浄化方法によれば、ＰＭが自己着火するような高負荷域のエンジンの運転状態において、最適なＮＯｘ浄化率を維持しながら、ＰＭの蓄積を抑えることができる最適なリッチ制御を行うことができる。
【００２２】
また、本発明の排気ガス浄化システムは、内燃機関の排気ガスに対してＮＯｘ吸蔵還元型触媒によるＮＯｘ浄化と連続再生式ＤＰＦによるＰＭ浄化を行う排気ガス浄化システムにおいて、前記ＤＰＦに流入する排気ガスの温度を検出する温度センサと、前記ＤＰＦの前後差圧を検知する差圧センサと、前記ＤＰＦの単位時間当たりの差圧増加率を算出する制御装置を備え、前記制御装置が、前記温度センサで検出した排気ガスの温度がＰＭの自己燃焼温度以上であって、かつ、前記差圧増加率が所定の差圧増加率判定値以上の時に、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を再生するための触媒再生制御で行うリッチ制御において、排気ガスのリッチ度を減少するように構成される。
【００２３】
あるいは、内燃機関の排気ガスに対してＮＯｘ吸蔵還元型触媒によるＮＯｘ浄化と連続再生式ＤＰＦによるＰＭ浄化を行う排気ガス浄化システムにおいて、前記ＤＰＦに流入する排気ガスの温度を検出する温度センサと、前記ＤＰＦの前後差圧を検知する差圧センサと、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の前後のＮＯｘ濃度を検出する第１ＮＯｘ濃度センサ及び第２ＮＯｘ濃度センサと、前記ＤＰＦの単位時間当たりの差圧増加率を算出し、かつ、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒前後のＮＯｘ濃度からＮＯｘ浄化率を算出する制御装置を備え、前記制御装置が、前記温度センサで検出した排気ガスの温度がＰＭの自己燃焼温度以上で、かつ、前記差圧増加率が所定の差圧増加率判定値以下であって、前記ＮＯｘ浄化率が所定のＮＯｘ浄化率判定値以上の時に、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を再生するための触媒再生制御で行うリッチ制御において、排気ガスのリッチ度を増加するように構成される。
【００２４】
そして、上記の排気ガス浄化システムにおいて、前記制御装置が、前記温度センサで検出した排気ガスの温度がＰＭの自己燃焼温度以上であって、かつ、前記差圧増加率が所定の差圧増加率判定値以上の時に、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を再生するための触媒再生制御で行うリッチ制御において、リッチ度を減少するように構成される。
【００２５】
これらの構成の排気ガス浄化方法及び排気ガス浄化システムによれば、ＰＭが自己着火するような高負荷域において、最適なＮＯｘ浄化率を維持しながら、ＰＭの蓄積を抑えることができる最適なリッチ制御を行うことができる。
【００２６】
そして、排気ガス浄化システムにおいて、前記連続再生式ＤＰＦが、上流側の酸化触媒と下流側のＤＰＦからなる連続再生式ＤＰＦ、酸化触媒を担持した触媒付きＤＰＦからなる連続再生式ＤＰＦ、酸化触媒とＰＭ酸化触媒の両方を担持した触媒付きＤＰＦからなる連続再生式ＤＰＦのいずれかであるように構成される。
【００２７】
この上流側の酸化触媒と下流側のＤＰＦからなる連続再生式ＤＰＦは、ＣＲＴ（Continuously Regenerating Trap）型ＤＰＦと呼ばれる連続再生式ＤＰＦであり、この上流側の酸化触媒で、排気ガス中のＮＯをＮＯ2 に酸化し、このＮＯ2 はＯ2 よりエネルギー障壁が小さいため、低い温度でＤＰＦに捕集されたＰＭを酸化除去できる。
【００２８】
また、酸化触媒を担持したＤＰＦからなる連続再生式ＤＰＦは、ＮＯの酸化で発生したＮＯ2 でＤＰＦに蓄積したＰＭを酸化させるものであり、酸化触媒とＰＭ酸化触媒を担持したＤＰＦからなる連続再生式ＤＰＦは、酸化触媒とＰＭ酸化触媒をＤＰＦに担持させて、ＤＰＦに蓄積したＰＭを低温からＯ2 で直接触媒燃焼し連続再生するものである。
【００２９】
更に、上記の排気ガス浄化システムにおいて、前記排気ガス浄化システムが、内燃機関の排気通路にＮＯｘ還元型触媒コンバータと連続再生式ＤＰＦを備えた排気ガス浄化システム、又は、ＮＯｘ還元型触媒を担持したＤＰＦを有する連続再生式ＤＰＦを備えた排気ガス浄化システムのいずれかであるように構成される。
【００３０】
特に、触媒付きＤＰＦにＮＯｘ還元型触媒を担持させて一体化すると、ＰＭとＮＯｘを同時に浄化することができる。つまり、希薄燃焼で排気ガスがリーン空燃比状態にある時には、触媒のＮＯｘ吸蔵材でＮＯｘを吸蔵し、このＮＯｘ吸蔵の際に発生する活性酸素（Ｏ* ）及び排気ガス中のＯ2 によってＰＭを酸化し、ＮＯｘ吸蔵能力の再生のための理論空燃比燃焼又は過濃空燃比燃焼で排気ガスがリッチ空燃比状態にある時には、ＮＯｘ吸蔵材からＮＯｘが放出され還元されると共に、排ガス中のＯ2 が少ない状態であっても、ＮＯｘの還元の際に発生する活性酸素（Ｏ* ）により、触媒内でＰＭを酸化する。この構成によれば、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒と触媒担持ＤＰＦが一体化されているので、システムの小型化及び簡素化を図ることができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化方法及び排気ガス浄化システムについて、図面を参照しながら説明する。
【００３２】
図１に、実施の形態の排気ガス浄化システム１の構成を示す。この排気ガス浄化システム１は、エンジン（内燃機関）Ｅの排気通路２０において、上流から順に、酸化触媒（ＤＯＣ）４１ａとＤＰＦ４１ｂとＮＯｘ吸蔵還元型触媒コンバータ４２を配置した排気ガス浄化装置４０Ａを備えて構成される。この上流側の酸化触媒４１ａと下流側のＤＰＦ４１ｂとで連続再生式ＤＰＦ４１が構成されている。
【００３３】
この酸化触媒４１ａは、コージェライト、ＳｉＣ、又はステンレスの構造材で形成された、多数の多角形セルを有するモノリス触媒で形成される。このセルの内壁には表面積を稼いでいる触媒コート層があり、その大きい表面に、白金やバナジウム等の触媒金属を担持して触媒機能を発生させている。これにより、排気ガス中のＮＯを酸化反応（ＮＯ＋Ｏ→ＮＯ2 ）によりＮＯ2 にすることができる。
【００３４】
また、ＤＰＦ４１ｂは、多孔質のセラミックのハニカムのチャンネルの入口と出口を交互に目封じしたモノリスハニカム型ウオールフロータイプのフィルタや、アルミナ等の無機繊維をランダムに積層したフェルト状のフィルタ等で形成することができ、排気ガス中のＰＭを捕集する。この捕集したＰＭは、上流の前段酸化触媒４１ａとの組合せにより、酸化力の高いＮＯ2 によって燃焼除去される。
【００３５】
そして、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒コンバータ４２は、酸化触媒４１ａと同様にモノリス触媒で形成され、酸化アルミニウム、酸化チタン等の担持体に触媒コート層を設け、この触媒コート層に、白金等の貴金属酸化触媒とバリウム等のＮＯｘ吸蔵材（ＮＯｘ吸蔵物質）を担持させて構成される。
【００３６】
このＮＯｘ吸蔵還元型触媒コンバータ４２では、酸素濃度が高い排気ガスの状態（リーン空燃比状態）の時に、排気ガス中のＮＯｘを吸蔵することにより、排気ガス中のＮＯｘを浄化し、酸素濃度が低いかゼロの排気ガス状態（リッチ空燃比状態）の時に、吸蔵したＮＯｘを放出すると共に放出されたＮＯｘを還元することにより、大気中へのＮＯｘの流出を防止する。
【００３７】
また、温度センサ５１が、ＤＰＦ４１ｂの上流側に、第１ＮＯｘ濃度センサ５２と第２ＮＯｘ濃度センサ５３がＮＯｘ吸蔵還元型触媒コンバータ４２の前後、図１では、排気ガス浄化装置４０Ａの入口近傍と出口近傍にそれぞれ設けられる。更に、ＰＭの堆積量を推定するために、ＤＰＦ４１ｂの前後（又は排気ガス浄化装置４０Ａの前後）に接続された導通管にＤＰＦ前後の排気圧の差ΔＰを検出する差圧センサ５４が設けられる。なお、このＮＯｘ濃度センサ５２，５３は、通常は、λ（空気過剰率）センサとＮＯｘ濃度センサとＯ2 濃度センサとが一体化したセンサである排気濃度センサで代用される。
【００３８】
そして、これらのセンサの出力値は、エンジンＥの運転の全般的な制御を行うと共に、連続再生式ＤＰＦ４１の再生制御及びＮＯｘ吸蔵還元型触媒コンバータ４２のＮＯｘ浄化能力の回復制御も行う制御装置（ＥＣＵ：エンジンコントロールユニット）５０に入力され、この制御装置５０から出力される制御信号により、エンジンＥの燃料噴射用のコモンレール電子制御燃料噴射装置や絞り弁１５やＥＧＲ弁３２等が制御される。
【００３９】
また、この制御装置５０では、第１及び第２ＮＯｘ濃度センサ５２，５３の検出値ＣNOx1，ＣNOx2よりＮＯｘ浄化率ＲNOx （＝１．０−ＣNOx2／ＣNOx1）が算出され、差圧センサ５４より検出された差圧ΔＰより差圧増加率ｄＰ（＝ΔＰ／ｄｔ）が算出され、ＤＰＦ４１ｂのＰＭ蓄積量の増減が推定される。
【００４０】
この排気ガス浄化システム１においては、空気Ａは、吸気通路１０のエアクリーナ１１、マスエアフロー（ＭＡＦ）センサ１２、ターボチャジャー１３のコンプレッサー１３ａ、インタークーラー１４を通過して、吸気絞り弁１５によりその量を調整されて吸気マニホールド１６よりシリンダ内に入る。
【００４１】
そして、シリンダ内で発生した排気ガスＧは、排気マニホールド２１から排気通路２０のターボチャジャー１３のタービン１３ｂを駆動し、排気ガス浄化装置４０Ａを通過して浄化された排気ガスＧｃとなって、図示しない消音器を通って大気中に排出される。また、排気ガスＧの一部はＥＧＲガスとして、ＥＧＲ通路３０のＥＧＲクーラー３１を通過し、ＥＧＲ弁３２でその量を調整されて吸気マニホールド１６に再循環される。
【００４２】
図２に排気ガス浄化装置４０Ａの構成を示し、図３及び図４に他の実施の形態の排気ガス浄化装置４０Ｂ，４０Ｃの構成を示す。図３の排気ガス浄化装置４０Ｂは、酸化触媒４１ａと、ＮＯｘ還元型触媒を担持したＤＰＦ４３とからなり、、図４の排気ガス浄化装置４０Ｃは、ＮＯｘ還元型触媒を担持した触媒付きＤＰＦ４４とからなる。この触媒付きＤＰＦには、酸化触媒を担持したＤＰＦと酸化触媒とＰＭ酸化触媒を担持したＤＰＦとがある。
【００４３】
このＰＭ酸化触媒はセリウム（Ｃｅ）の酸化物等であり、このＰＭ酸化触媒と酸化触媒を担持した触媒担持フィルタの場合は、低温域（３００℃〜６００℃程度）では、触媒担持フィルタにおける排気ガス中のＯ2 を使用した反応（４ＣｅＯ2 ＋Ｃ→２Ｃｅ2 Ｏ3 ＋ＣＯ2 ，２Ｃｅ2 Ｏ3 ＋Ｏ2 →４ＣｅＯ2 等）によりＰＭを酸化し、ＰＭが排気ガス中のＯ2 で燃焼する温度より高い高温域（６００℃程度以上）では、排気ガス中のＯ2 によりＰＭを酸化する。
【００４４】
なお、この他にも、再上流側の酸化触媒を無くした排気ガス浄化装置として、酸化触媒を担持した触媒付きＤＰＦとＮＯｘ吸蔵還元型触媒コンバータからなる排気ガス浄化装置、酸化触媒とＰＭ酸化触媒の両方を担持した触媒付きＤＰＦとＮＯｘ吸蔵還元型触媒コンバータからなる排気ガス浄化装置等もある。
【００４５】
要するに、本発明の排気ガス浄化装置は、内燃機関の排気ガスに対してＮＯｘ吸蔵還元型触媒によるＮＯｘ浄化と連続再生式ＤＰＦによるＰＭ浄化を行うものであればよい。
【００４６】
これらの排気ガス浄化システム１においては、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ吸蔵能力の回復のためのＮＯｘ再生制御を行う排気ガス浄化方法は、図５に示すようなリッチ度変更制御フローを伴って行われる。
【００４７】
この図５の制御フローは、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の再生に関するリッチ度変更制御フローであり、排気ガス浄化システム全体の制御フローから、触媒再生制御が必要になった時に繰り返し呼ばれて、必要であれば、触媒再生制御におけるリッチ度（リッチ頻度、リッチ深さ等）の設定変更を行うものとして示されている。
【００４８】
この制御フローがスタートすると、ステップＳ１１で、リッチ度の変更が必要か否かを、温度センサ５１で検出されたＤＰＦ入口排気温度Ｔent が、所定の判定値Ｔent0以下の時は、リッチ度の変更は必要なしとして、リターンに戻り、ＤＰＦ入口排気温度Ｔent が、所定の判定値Ｔent0より大きい時は、リッチ度の変更が必要であるとして、ステップＳ１２に行く。この所定の判定値Ｔent0は、排気ガス温度がＰＭが自己着火する領域にあるか否かを判定するための温度、即ち、ＰＭの自己燃焼温度であり、通常は３００℃〜４００℃の間に設定される。
【００４９】
このステップＳ１２では、差圧センサ５４で検出されたＤＰＦの前後差圧ΔＰの時間当たりの増加率である差圧増加率ｄＰを算出し、次のステップＳ１３でこの差圧増加率ｄＰが、所定の差圧増加率判定値ｄＰ0 よりも大きいか否かを判定する。この所定の差圧増加率判定値ｄＰ0 は、ＰＭ蓄積量が増加しているか、否かを判定するための値であり、温度上昇に応じた標準差圧テーブルから値を読み込む。
【００５０】
このステップＳ１３の判定で差圧増加率ｄＰが所定の差圧増加率判定値ｄＰ0 よりも大きい時には、ステップＳ１４でリッチ度を減少するようにリッチ制御時のリッチ度の設定条件を変更し、リターンする。このリッチ度の減少は、前回のリッチ制御よりも、インターバルを長くしてリッチ頻度を減少させたり、リッチ制御を行う際の目標酸素濃度を高目に設定して、排気ガスの空燃比を大きくしてリッチ深さを浅くしたり、あるいは、リッチ頻度の減少とリッチ深さの減少の両方で行う。
【００５１】
このステップＳ１３の判定で差圧増加率ｄＰが所定の差圧増加率判定値ｄＰ0 以下の時には、ステップＳ１５に行き、第１ＮＯｘ濃度センサ５２で検出されたＮＯｘ濃度ＣNOx1と第２ＮＯｘ濃度センサ５３で検出されたＮＯｘ濃度ＣNOx2とから、排気ガス浄化装置４０Ａ，４０Ｂ，４０ＣにおけるＮＯｘ浄化率ＲNOx （＝１．０−ＣNOx2／ＣNOx1）を算出する。
【００５２】
そして、次のステップＳ１６で、このＮＯｘ浄化率ＲNOx が所定のＮＯｘ浄化率判定値ＲNOx0よりも大きいか否かを判定する。この所定のＮＯｘ浄化率判定値ＲNOx0は、所定のＮＯｘ浄化能力を維持しているか否かを判定するための値であり、図７のＰＭ蓄積が無い最適なＮＯｘ浄化率を示すＡ点の値や、事前に試験を行い求めた目標値に設定される。
【００５３】
このステップＳ１６の判定でＮＯｘ浄化率ＲNOx が所定のＮＯｘ浄化率判定値ＲNOx0よりも小さい時には、ステップＳ１７でリッチ度を増加するようにリッチ制御時のリッチ条件の設定を変更し、リターンする。このリッチ度の増加は、前回のリッチ制御よりも、インターバルを短くしてリッチ頻度を増加したり、リッチ制御を行う際の目標酸素濃度を低目に設定して、排気ガスの空燃比を小さくしてリッチ深さを深くしたり、あるいは、リッチ頻度の増加とリッチ深さの増加の両方で行う。
【００５４】
また、このステップＳ１６の判定でＮＯｘ浄化率ＲNOx が所定のＮＯｘ浄化率判定値ＲNOx0よりも以上の時には、リッチ度の変更無しのまま、即ち、標準のリッチ度のままでリターンする。
【００５５】
このリッチ度変更制御により、ＤＰＦ入口排気温度Ｔent が所定の判定値（ＰＭの自己燃焼温度）Ｔent0が大きい場合において、差圧増加率ｄＰが所定の差圧増加率判定値ｄＰ0 より大きい時に、リッチ度を減少する変更を行い、差圧増加率ｄＰが所定の差圧増加率判定値ｄＰ0 より小さく、かつ、ＮＯｘ浄化率ＲNOx が所定のＮＯｘ浄化率判定値ＲNOx0よりも小さい時には、リッチ度を増加する変更を行い、その他の場合には、リッチ度を変更することなく、標準のリッチ度のままリターンする。
【００５６】
従って、ＤＰＦ入口排気温度Ｔent がＰＭの自己燃焼温度Ｔent0以上、即ち、ＰＭの自己着火する領域に入った場合に、差圧増加率ｄＰとＮＯｘ浄化率ＲNOx をモニターし、ＰＭの自己着火領域にもかかわらず、差圧ΔＰが上昇傾向にあり、ＰＭ蓄積量が増加していると判断した時には、リッチ度が過多でＰＭの発生量が多い状態を改善すべく、リッチ度を減少させ、ＰＭが蓄積しないようにすることができる。また、逆に差圧ΔＰは低下傾向にあるが、ＮＯｘ浄化率ＲNOx が低い場合には、リッチ度が過少でＮＯｘ吸蔵還元型触媒の再生が不充分であるという状態を改善すべく、リッチ度を増加してＮＯｘ浄化率ＲNOx を上昇させることができる。
【００５７】
なお、ＤＰＦ入口排気温度Ｔent がＰＭの自己燃焼温度Ｔent0未満の場合や、ＤＰＦ入口排気温度Ｔent がＰＭの自己着火する領域内であって差圧ΔＰが低下傾向にあっても、ＮＯｘ浄化率ＲNOx が高い場合には、リッチ度を変更せずに、標準のリッチ度でＮＯｘ吸蔵還元型触媒の再生のためのリッチ制御運転が行われる。
【００５８】
そして、これらのリッチ制御運転は、それぞれのリッチ頻度や目標酸素濃度で、エンジンＥの燃焼状態を一時的に変更し、また、ＨＣ（燃料等）還元剤をポスト噴射や排気管内噴射等により排気ガス中に供給し、排気ガスをリッチ空燃比の状態、即ち、低Ｏ2 濃度、高ＣＯ濃度、高温の状態にして、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ吸蔵材から吸蔵したＮＯｘを放出させて吸蔵能力を回復させると共に、放出されたＮＯｘを酸化触媒の触媒作用により排気ガス中のＨＣやＣＯ等の還元剤でＮ2 とＨ2 Ｏに還元する。
【００５９】
これらのエンジンの各運転状態に対応したリッチ度で、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の再生制御であるリッチ制御を行うことができるので、排気ガス中のＮＯｘとＰＭをバランスよく浄化できる。
【００６０】
【発明の効果】
以上の説明したように、本発明の排気ガス浄化方法及び排気ガス浄化システムによれば、ＤＰＦに流入する排気ガスの温度がＰＭの自己燃焼温度以上となった場合に、差圧増加率とＮＯｘ浄化率をモニターし、ＰＭの自己着火領域にもかかわらず、差圧が上昇傾向でＰＭ蓄積量が増加している時にはリッチ度を減少させ、ＰＭが蓄積しないようにすることができる。また、差圧は低下傾向にあるが、ＮＯｘ浄化率が低い場合には、リッチ度を増加してＮＯｘ浄化率を増加することができる。
【００６１】
従って、ＰＭが自己着火するような高負荷域のエンジン運転状態において、最適なＮＯｘ浄化率を維持しつつ、ＰＭ蓄積を抑えた最適なリッチ制御を行うことができ、排気ガス中のＮＯｘとＰＭをバランスよく浄化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化システムの構成を示す図である。
【図２】本発明に係る第１実施の形態の排気ガス浄化装置の構成を示す図である。
【図３】本発明に係る第２実施の形態の排気ガス浄化装置の構成を示す図である。
【図４】本発明に係る第３実施の形態の排気ガス浄化装置の構成を示す図である。
【図５】本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化方法のリッチ度変更制御フローの一例を示す図である。
【図６】ＰＭが自己着火するエンジンの運転領域を示す図である。
【図７】ＰＭが自己着火する領域におけるＮＯｘ浄化率とＰＭ蓄積量の関係を示す図である。
【符号の説明】
１ 排気ガス浄化システム
２０ 排気通路
４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ 排気ガス浄化装置
４１ 連続再生式ＤＰＦ
４１ａ 酸化触媒（ＤＯＣ）
４１ｂ ＤＰＦ
４２ ＮＯｘ吸蔵還元型触媒コンバータ
４３ ＮＯｘ還元型触媒を担持したＤＰＦ
４４ ＮＯｘ還元型触媒を担持した触媒付きＤＰＦ
５０ 制御装置（ＥＣＵ）
５１ 温度センサ
５２ 第１ＮＯｘ濃度センサ
５３ 第２ＮＯｘ濃度センサ
５４ 差圧センサ
Ｅ エンジン（内燃機関）
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼルエンジン等の内燃機関の排気ガスに対して、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒によるＮＯｘの浄化と連続再生式ＤＰＦのよるＰＭの浄化を行う排気ガス浄化方法及び排気ガス浄化システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンから排出されるＮＯｘ（窒素酸化物）と粒子状物質（ＰＭ：パティキュレートマター：以下ＰＭとする）の排出量は、ＣＯ（一酸化炭素）そしてＨＣ（炭化水素）等と共に年々規制が強化されてきており、規制の強化に伴いエンジンの改良のみでは規制値に対応できなくなっており、エンジンから排出されるこれらの物質を排気ガス処理システムを着装して低減する技術が採用されてきている。
【０００３】
そして、ＮＯｘに対しては多くのＮＯｘ浄化触媒が開発され、ＰＭに対してはディーゼルパティキュレートフィルタ（Diesel Particulate Filter ：以下ＤＰＦとする）と呼ばれるフィルタが開発されている。
【０００４】
このＮＯｘ浄化触媒の一つにＮＯｘ吸蔵還元型触媒がある。このＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、アルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）等の多孔質の触媒コート層に、ＮＯｘに対して酸化機能を持つ白金（Ｐｔ）等の触媒金属と、ナトリウム（Ｎａ），カリウム（Ｋ），セシウム（Ｃｓ）等のアルカリ金属、カルシウム（Ｃａ），バリウム（Ｂａ）等のアルカリ土類金属、イットリウム（Ｙ），ランタン（Ｌａ）等の希土類等の中の一つ又は幾つかの組合せからなるＮＯｘ吸蔵機能を持つＮＯｘ吸蔵材が担持され、排気ガス中のＯ2 （酸素）濃度によってＮＯｘ吸蔵とＮＯｘ放出・浄化の二つの機能を発揮する。
【０００５】
まず、ディーゼルエンジンや希薄燃焼ガソリンエンジン等の通常の運転状態のように、排気ガス中のＯ2 濃度が高い排気ガス条件（リーン空燃比状態）では、排出されるＮＯ（一酸化窒素）が触媒金属の酸化機能により、排気ガス中に含まれるＯ2 で酸化されてＮＯ2 （二酸化窒素）となり、このＮＯ2 は、ＮＯｘ吸蔵材で塩化物のかたちで吸蔵されるので、排気ガスは浄化される。
【０００６】
しかし、このＮＯｘの吸蔵が継続すると、バリウム等のＮＯｘ吸蔵材は、硝酸塩に変化し、次第に飽和してＮＯ2 を吸蔵する機能を失ってしまう。そこで、エンジンの運転条件を変えて過濃燃焼を行って、低Ｏ2 濃度、高ＣＯ濃度で排気温度の高い排気ガス（リッチスパイクガス）を発生させて触媒に供給する。
【０００７】
この排気ガスのリッチ空燃比状態では、ＮＯ2 を吸蔵し硝酸塩に変化したＮＯｘ吸蔵材は、吸蔵していたＮＯ2 を放出し、元のバリウム等に戻る。この放出されたＮＯ2 は、排気ガス中にＯ2 が存在しないので、排気ガス中のＣＯ，ＨＣ，Ｈ2 を還元剤として触媒金属上で還元され、Ｎ2 及びＨ2 Ｏ，ＣＯ2 に変換され浄化される。
【０００８】
しかし、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を使用する場合に、単独ではＰＭ中のＳＯＯＴ成分を燃焼できないので、ＤＰＦとの組合せ、又は、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ浄化機能とＤＰＦのＰＭ浄化機能の一体化が必要となる。
【０００９】
この一体化の一つに、ＤＰＦの再生のために外部から供給するエネルギーを低減し、捕集されたＰＭの着火を容易にする手段の提供を目的に、ＤＰＦとＮＯｘ吸収剤（ＮＯｘ吸蔵還元型触媒）とを相互に熱伝達可能な位置に配置、具体的には、ＤＰＦにＮＯｘ吸収剤を担持した内燃機関の排気ガス浄化装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【００１０】
【特許文献１】
特開平０６−１５９０３７号公報 （第２頁）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ浄化機能とＤＰＦのＰＭ浄化機能を備えた排気ガス浄化システムにおいては、ＮＯｘ浄化率とＰＭ蓄積量とのバランスが問題となる。
【００１２】
つまり、図６に示すようなＰＭが自己着火するような排気温度（ＤＰＦに担持される触媒により左右されるが、概ね３００℃〜４００℃以上）の高負荷域のエンジンの運転領域では、ＮＯｘ浄化率を高めるためには、ＮＯｘを放出及び還元するリッチ燃焼の頻度を増加すればよいが、この運転領域は燃焼温度の高い領域であるので、このリッチ燃焼時に大量のＰＭが発生する。
【００１３】
この場合、ＰＭの発生量が自己着火して燃焼する速度よりも少なければ、ＤＰＦにＰＭは蓄積されていないが、ＮＯｘ浄化率は減少する。一方、ＮＯｘ浄化率を高めるためにリッチ度（頻度、リッチ深さ、還元剤供給量等）を増してＰＭの発生量が多くなった場合には、ＤＰＦにおけるＰＭの蓄積量が徐々に増加していき、このＰＭ蓄積量が限界を超えた場合には異常燃焼やこれに起因する溶損の危険性が生じる。そのため、エンジンの運転領域が高負荷域であってもＰＭの強制燃焼によるＤＰＦ再生が必要となる。
【００１４】
このＮＯｘ浄化率とＰＭ蓄積量（差圧増加率）と関係を、図７に示す。ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ浄化率回復のための触媒再生制御で、リッチ度を減少させると、ＰＭの発生量がＰＭの燃焼量より小さくなる（差圧増加率がマイナス）が、ＮＯｘ浄化率も低下する。一方、リッチ度を増加させてＮＯｘ浄化率を上げると、ＮＯｘ浄化率は増加するが、ＰＭの発生量がＰＭの燃焼量より大きくなる（差圧増加率がプラス）。
【００１５】
本発明は、上述の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒によるＮＯｘ浄化機能と連続再生式ＤＰＦによるＰＭ浄化機能とを組み合わせた排気ガス浄化システムにおいて、ＤＰＦの連続再生可能な範囲で最適なＮＯｘ浄化率を維持することができる排気ガス浄化方法及び排気ガス浄化システムを提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
以上のような目的を達成するための排気ガス浄化方法は、内燃機関の排気ガスに対してＮＯｘ吸蔵還元型触媒によるＮＯｘ浄化と連続再生式ＤＰＦによるＰＭ浄化を行い、前記ＤＰＦに流入する排気ガスの温度を検出する温度センサと、前記ＤＰＦの前後差圧を検知する差圧センサと、前記ＤＰＦの単位時間当たりの差圧増加率を算出する制御装置を備えた排気ガス浄化システムにおいて、前記温度センサで検出した排気ガスの温度がＰＭの自己燃焼温度以上であって、かつ、前記差圧増加率が所定の差圧増加率判定値以上の時に、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を再生するための触媒再生制御で行うリッチ制御において、リッチ度を減少するように構成される。
【００１７】
あるいは、内燃機関の排気ガスに対してＮＯｘ吸蔵還元型触媒によるＮＯｘ浄化と連続再生式ＤＰＦによるＰＭ浄化を行い、前記ＤＰＦに流入する排気ガスの温度を検出する温度センサと、前記ＤＰＦの前後差圧を検知する差圧センサと、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の前後のＮＯｘ濃度を検出する第１ＮＯｘ濃度センサ及び第２ＮＯｘ濃度センサと、前記ＤＰＦの単位時間当たりの差圧増加率を算出し、かつ、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒前後のＮＯｘ濃度からＮＯｘ浄化率を算出する制御装置を備えた排気ガス浄化システムにおいて、前記温度センサで検出した排気ガスの温度がＰＭの自己燃焼温度以上で、かつ、前記差圧増加率が所定の差圧増加率判定値以下であって、前記ＮＯｘ浄化率が所定のＮＯｘ浄化率判定値以上の時に、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を再生するための触媒再生制御で行うリッチ制御において、リッチ度を増加するように構成される。
【００１８】
そして、上記の排気ガス浄化方法において、前記温度センサで検出した排気ガスの温度がＰＭの自己燃焼温度以上であって、かつ、前記差圧増加率が所定の差圧増加率判定値以上の時に、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を再生するための触媒再生制御で行うリッチ制御において、リッチ度を減少するように構成される。
【００１９】
このリッチ度の減少とは、標準のリッチ制御よりも、リッチ制御を行うインターバルを長くしてリッチ頻度を減少させたり、リッチ制御を行う際に目標酸素濃度を低めに設定して、還元剤供給量を少なくして、排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）を大きく、空気過剰率（λ）を低くして、リッチ深さを浅くしたり、あるいは、両方を行うことである。
【００２０】
また、このリッチ度の増加とは、標準のリッチ制御よりも、リッチ制御を行うインターバルを短くしてリッチ頻度を増加させたり、リッチ制御を行う際に目標酸素濃度を高めに設定して還元剤供給量を多くして、排気ガスの空燃比を小さく、空気過剰率を高くして、リッチ深さを深くしたり、あるいは、両方を行うことである。
【００２１】
そして、これらの構成の排気ガス浄化方法によれば、ＰＭが自己着火するような高負荷域のエンジンの運転状態において、最適なＮＯｘ浄化率を維持しながら、ＰＭの蓄積を抑えることができる最適なリッチ制御を行うことができる。
【００２２】
また、本発明の排気ガス浄化システムは、内燃機関の排気ガスに対してＮＯｘ吸蔵還元型触媒によるＮＯｘ浄化と連続再生式ＤＰＦによるＰＭ浄化を行う排気ガス浄化システムにおいて、前記ＤＰＦに流入する排気ガスの温度を検出する温度センサと、前記ＤＰＦの前後差圧を検知する差圧センサと、前記ＤＰＦの単位時間当たりの差圧増加率を算出する制御装置を備え、前記制御装置が、前記温度センサで検出した排気ガスの温度がＰＭの自己燃焼温度以上であって、かつ、前記差圧増加率が所定の差圧増加率判定値以上の時に、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を再生するための触媒再生制御で行うリッチ制御において、排気ガスのリッチ度を減少するように構成される。
【００２３】
あるいは、内燃機関の排気ガスに対してＮＯｘ吸蔵還元型触媒によるＮＯｘ浄化と連続再生式ＤＰＦによるＰＭ浄化を行う排気ガス浄化システムにおいて、前記ＤＰＦに流入する排気ガスの温度を検出する温度センサと、前記ＤＰＦの前後差圧を検知する差圧センサと、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の前後のＮＯｘ濃度を検出する第１ＮＯｘ濃度センサ及び第２ＮＯｘ濃度センサと、前記ＤＰＦの単位時間当たりの差圧増加率を算出し、かつ、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒前後のＮＯｘ濃度からＮＯｘ浄化率を算出する制御装置を備え、前記制御装置が、前記温度センサで検出した排気ガスの温度がＰＭの自己燃焼温度以上で、かつ、前記差圧増加率が所定の差圧増加率判定値以下であって、前記ＮＯｘ浄化率が所定のＮＯｘ浄化率判定値以上の時に、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を再生するための触媒再生制御で行うリッチ制御において、排気ガスのリッチ度を増加するように構成される。
【００２４】
そして、上記の排気ガス浄化システムにおいて、前記制御装置が、前記温度センサで検出した排気ガスの温度がＰＭの自己燃焼温度以上であって、かつ、前記差圧増加率が所定の差圧増加率判定値以上の時に、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を再生するための触媒再生制御で行うリッチ制御において、リッチ度を減少するように構成される。
【００２５】
これらの構成の排気ガス浄化方法及び排気ガス浄化システムによれば、ＰＭが自己着火するような高負荷域において、最適なＮＯｘ浄化率を維持しながら、ＰＭの蓄積を抑えることができる最適なリッチ制御を行うことができる。
【００２６】
そして、排気ガス浄化システムにおいて、前記連続再生式ＤＰＦが、上流側の酸化触媒と下流側のＤＰＦからなる連続再生式ＤＰＦ、酸化触媒を担持した触媒付きＤＰＦからなる連続再生式ＤＰＦ、酸化触媒とＰＭ酸化触媒の両方を担持した触媒付きＤＰＦからなる連続再生式ＤＰＦのいずれかであるように構成される。
【００２７】
この上流側の酸化触媒と下流側のＤＰＦからなる連続再生式ＤＰＦは、ＣＲＴ（Continuously Regenerating Trap）型ＤＰＦと呼ばれる連続再生式ＤＰＦであり、この上流側の酸化触媒で、排気ガス中のＮＯをＮＯ2 に酸化し、このＮＯ2 はＯ2 よりエネルギー障壁が小さいため、低い温度でＤＰＦに捕集されたＰＭを酸化除去できる。
【００２８】
また、酸化触媒を担持したＤＰＦからなる連続再生式ＤＰＦは、ＮＯの酸化で発生したＮＯ2 でＤＰＦに蓄積したＰＭを酸化させるものであり、酸化触媒とＰＭ酸化触媒を担持したＤＰＦからなる連続再生式ＤＰＦは、酸化触媒とＰＭ酸化触媒をＤＰＦに担持させて、ＤＰＦに蓄積したＰＭを低温からＯ2 で直接触媒燃焼し連続再生するものである。
【００２９】
更に、上記の排気ガス浄化システムにおいて、前記排気ガス浄化システムが、内燃機関の排気通路にＮＯｘ還元型触媒コンバータと連続再生式ＤＰＦを備えた排気ガス浄化システム、又は、ＮＯｘ還元型触媒を担持したＤＰＦを有する連続再生式ＤＰＦを備えた排気ガス浄化システムのいずれかであるように構成される。
【００３０】
特に、触媒付きＤＰＦにＮＯｘ還元型触媒を担持させて一体化すると、ＰＭとＮＯｘを同時に浄化することができる。つまり、希薄燃焼で排気ガスがリーン空燃比状態にある時には、触媒のＮＯｘ吸蔵材でＮＯｘを吸蔵し、このＮＯｘ吸蔵の際に発生する活性酸素（Ｏ* ）及び排気ガス中のＯ2 によってＰＭを酸化し、ＮＯｘ吸蔵能力の再生のための理論空燃比燃焼又は過濃空燃比燃焼で排気ガスがリッチ空燃比状態にある時には、ＮＯｘ吸蔵材からＮＯｘが放出され還元されると共に、排ガス中のＯ2 が少ない状態であっても、ＮＯｘの還元の際に発生する活性酸素（Ｏ* ）により、触媒内でＰＭを酸化する。この構成によれば、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒と触媒担持ＤＰＦが一体化されているので、システムの小型化及び簡素化を図ることができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化方法及び排気ガス浄化システムについて、図面を参照しながら説明する。
【００３２】
図１に、実施の形態の排気ガス浄化システム１の構成を示す。この排気ガス浄化システム１は、エンジン（内燃機関）Ｅの排気通路２０において、上流から順に、酸化触媒（ＤＯＣ）４１ａとＤＰＦ４１ｂとＮＯｘ吸蔵還元型触媒コンバータ４２を配置した排気ガス浄化装置４０Ａを備えて構成される。この上流側の酸化触媒４１ａと下流側のＤＰＦ４１ｂとで連続再生式ＤＰＦ４１が構成されている。
【００３３】
この酸化触媒４１ａは、コージェライト、ＳｉＣ、又はステンレスの構造材で形成された、多数の多角形セルを有するモノリス触媒で形成される。このセルの内壁には表面積を稼いでいる触媒コート層があり、その大きい表面に、白金やバナジウム等の触媒金属を担持して触媒機能を発生させている。これにより、排気ガス中のＮＯを酸化反応（ＮＯ＋Ｏ→ＮＯ2 ）によりＮＯ2 にすることができる。
【００３４】
また、ＤＰＦ４１ｂは、多孔質のセラミックのハニカムのチャンネルの入口と出口を交互に目封じしたモノリスハニカム型ウオールフロータイプのフィルタや、アルミナ等の無機繊維をランダムに積層したフェルト状のフィルタ等で形成することができ、排気ガス中のＰＭを捕集する。この捕集したＰＭは、上流の前段酸化触媒４１ａとの組合せにより、酸化力の高いＮＯ2 によって燃焼除去される。
【００３５】
そして、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒コンバータ４２は、酸化触媒４１ａと同様にモノリス触媒で形成され、酸化アルミニウム、酸化チタン等の担持体に触媒コート層を設け、この触媒コート層に、白金等の貴金属酸化触媒とバリウム等のＮＯｘ吸蔵材（ＮＯｘ吸蔵物質）を担持させて構成される。
【００３６】
このＮＯｘ吸蔵還元型触媒コンバータ４２では、酸素濃度が高い排気ガスの状態（リーン空燃比状態）の時に、排気ガス中のＮＯｘを吸蔵することにより、排気ガス中のＮＯｘを浄化し、酸素濃度が低いかゼロの排気ガス状態（リッチ空燃比状態）の時に、吸蔵したＮＯｘを放出すると共に放出されたＮＯｘを還元することにより、大気中へのＮＯｘの流出を防止する。
【００３７】
また、温度センサ５１が、ＤＰＦ４１ｂの上流側に、第１ＮＯｘ濃度センサ５２と第２ＮＯｘ濃度センサ５３がＮＯｘ吸蔵還元型触媒コンバータ４２の前後、図１では、排気ガス浄化装置４０Ａの入口近傍と出口近傍にそれぞれ設けられる。更に、ＰＭの堆積量を推定するために、ＤＰＦ４１ｂの前後（又は排気ガス浄化装置４０Ａの前後）に接続された導通管にＤＰＦ前後の排気圧の差ΔＰを検出する差圧センサ５４が設けられる。なお、このＮＯｘ濃度センサ５２，５３は、通常は、λ（空気過剰率）センサとＮＯｘ濃度センサとＯ2 濃度センサとが一体化したセンサである排気濃度センサで代用される。
【００３８】
そして、これらのセンサの出力値は、エンジンＥの運転の全般的な制御を行うと共に、連続再生式ＤＰＦ４１の再生制御及びＮＯｘ吸蔵還元型触媒コンバータ４２のＮＯｘ浄化能力の回復制御も行う制御装置（ＥＣＵ：エンジンコントロールユニット）５０に入力され、この制御装置５０から出力される制御信号により、エンジンＥの燃料噴射用のコモンレール電子制御燃料噴射装置や絞り弁１５やＥＧＲ弁３２等が制御される。
【００３９】
また、この制御装置５０では、第１及び第２ＮＯｘ濃度センサ５２，５３の検出値ＣNOx1，ＣNOx2よりＮＯｘ浄化率ＲNOx （＝１．０−ＣNOx2／ＣNOx1）が算出され、差圧センサ５４より検出された差圧ΔＰより差圧増加率ｄＰ（＝ΔＰ／ｄｔ）が算出され、ＤＰＦ４１ｂのＰＭ蓄積量の増減が推定される。
【００４０】
この排気ガス浄化システム１においては、空気Ａは、吸気通路１０のエアクリーナ１１、マスエアフロー（ＭＡＦ）センサ１２、ターボチャジャー１３のコンプレッサー１３ａ、インタークーラー１４を通過して、吸気絞り弁１５によりその量を調整されて吸気マニホールド１６よりシリンダ内に入る。
【００４１】
そして、シリンダ内で発生した排気ガスＧは、排気マニホールド２１から排気通路２０のターボチャジャー１３のタービン１３ｂを駆動し、排気ガス浄化装置４０Ａを通過して浄化された排気ガスＧｃとなって、図示しない消音器を通って大気中に排出される。また、排気ガスＧの一部はＥＧＲガスとして、ＥＧＲ通路３０のＥＧＲクーラー３１を通過し、ＥＧＲ弁３２でその量を調整されて吸気マニホールド１６に再循環される。
【００４２】
図２に排気ガス浄化装置４０Ａの構成を示し、図３及び図４に他の実施の形態の排気ガス浄化装置４０Ｂ，４０Ｃの構成を示す。図３の排気ガス浄化装置４０Ｂは、酸化触媒４１ａと、ＮＯｘ還元型触媒を担持したＤＰＦ４３とからなり、、図４の排気ガス浄化装置４０Ｃは、ＮＯｘ還元型触媒を担持した触媒付きＤＰＦ４４とからなる。この触媒付きＤＰＦには、酸化触媒を担持したＤＰＦと酸化触媒とＰＭ酸化触媒を担持したＤＰＦとがある。
【００４３】
このＰＭ酸化触媒はセリウム（Ｃｅ）の酸化物等であり、このＰＭ酸化触媒と酸化触媒を担持した触媒担持フィルタの場合は、低温域（３００℃〜６００℃程度）では、触媒担持フィルタにおける排気ガス中のＯ2 を使用した反応（４ＣｅＯ2 ＋Ｃ→２Ｃｅ2 Ｏ3 ＋ＣＯ2 ，２Ｃｅ2 Ｏ3 ＋Ｏ2 →４ＣｅＯ2 等）によりＰＭを酸化し、ＰＭが排気ガス中のＯ2 で燃焼する温度より高い高温域（６００℃程度以上）では、排気ガス中のＯ2 によりＰＭを酸化する。
【００４４】
なお、この他にも、再上流側の酸化触媒を無くした排気ガス浄化装置として、酸化触媒を担持した触媒付きＤＰＦとＮＯｘ吸蔵還元型触媒コンバータからなる排気ガス浄化装置、酸化触媒とＰＭ酸化触媒の両方を担持した触媒付きＤＰＦとＮＯｘ吸蔵還元型触媒コンバータからなる排気ガス浄化装置等もある。
【００４５】
要するに、本発明の排気ガス浄化装置は、内燃機関の排気ガスに対してＮＯｘ吸蔵還元型触媒によるＮＯｘ浄化と連続再生式ＤＰＦによるＰＭ浄化を行うものであればよい。
【００４６】
これらの排気ガス浄化システム１においては、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ吸蔵能力の回復のためのＮＯｘ再生制御を行う排気ガス浄化方法は、図５に示すようなリッチ度変更制御フローを伴って行われる。
【００４７】
この図５の制御フローは、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の再生に関するリッチ度変更制御フローであり、排気ガス浄化システム全体の制御フローから、触媒再生制御が必要になった時に繰り返し呼ばれて、必要であれば、触媒再生制御におけるリッチ度（リッチ頻度、リッチ深さ等）の設定変更を行うものとして示されている。
【００４８】
この制御フローがスタートすると、ステップＳ１１で、リッチ度の変更が必要か否かを、温度センサ５１で検出されたＤＰＦ入口排気温度Ｔent が、所定の判定値Ｔent0以下の時は、リッチ度の変更は必要なしとして、リターンに戻り、ＤＰＦ入口排気温度Ｔent が、所定の判定値Ｔent0より大きい時は、リッチ度の変更が必要であるとして、ステップＳ１２に行く。この所定の判定値Ｔent0は、排気ガス温度がＰＭが自己着火する領域にあるか否かを判定するための温度、即ち、ＰＭの自己燃焼温度であり、通常は３００℃〜４００℃の間に設定される。
【００４９】
このステップＳ１２では、差圧センサ５４で検出されたＤＰＦの前後差圧ΔＰの時間当たりの増加率である差圧増加率ｄＰを算出し、次のステップＳ１３でこの差圧増加率ｄＰが、所定の差圧増加率判定値ｄＰ0 よりも大きいか否かを判定する。この所定の差圧増加率判定値ｄＰ0 は、ＰＭ蓄積量が増加しているか、否かを判定するための値であり、温度上昇に応じた標準差圧テーブルから値を読み込む。
【００５０】
このステップＳ１３の判定で差圧増加率ｄＰが所定の差圧増加率判定値ｄＰ0 よりも大きい時には、ステップＳ１４でリッチ度を減少するようにリッチ制御時のリッチ度の設定条件を変更し、リターンする。このリッチ度の減少は、前回のリッチ制御よりも、インターバルを長くしてリッチ頻度を減少させたり、リッチ制御を行う際の目標酸素濃度を高目に設定して、排気ガスの空燃比を大きくしてリッチ深さを浅くしたり、あるいは、リッチ頻度の減少とリッチ深さの減少の両方で行う。
【００５１】
このステップＳ１３の判定で差圧増加率ｄＰが所定の差圧増加率判定値ｄＰ0 以下の時には、ステップＳ１５に行き、第１ＮＯｘ濃度センサ５２で検出されたＮＯｘ濃度ＣNOx1と第２ＮＯｘ濃度センサ５３で検出されたＮＯｘ濃度ＣNOx2とから、排気ガス浄化装置４０Ａ，４０Ｂ，４０ＣにおけるＮＯｘ浄化率ＲNOx （＝１．０−ＣNOx2／ＣNOx1）を算出する。
【００５２】
そして、次のステップＳ１６で、このＮＯｘ浄化率ＲNOx が所定のＮＯｘ浄化率判定値ＲNOx0よりも大きいか否かを判定する。この所定のＮＯｘ浄化率判定値ＲNOx0は、所定のＮＯｘ浄化能力を維持しているか否かを判定するための値であり、図７のＰＭ蓄積が無い最適なＮＯｘ浄化率を示すＡ点の値や、事前に試験を行い求めた目標値に設定される。
【００５３】
このステップＳ１６の判定でＮＯｘ浄化率ＲNOx が所定のＮＯｘ浄化率判定値ＲNOx0よりも小さい時には、ステップＳ１７でリッチ度を増加するようにリッチ制御時のリッチ条件の設定を変更し、リターンする。このリッチ度の増加は、前回のリッチ制御よりも、インターバルを短くしてリッチ頻度を増加したり、リッチ制御を行う際の目標酸素濃度を低目に設定して、排気ガスの空燃比を小さくしてリッチ深さを深くしたり、あるいは、リッチ頻度の増加とリッチ深さの増加の両方で行う。
【００５４】
また、このステップＳ１６の判定でＮＯｘ浄化率ＲNOx が所定のＮＯｘ浄化率判定値ＲNOx0よりも以上の時には、リッチ度の変更無しのまま、即ち、標準のリッチ度のままでリターンする。
【００５５】
このリッチ度変更制御により、ＤＰＦ入口排気温度Ｔent が所定の判定値（ＰＭの自己燃焼温度）Ｔent0が大きい場合において、差圧増加率ｄＰが所定の差圧増加率判定値ｄＰ0 より大きい時に、リッチ度を減少する変更を行い、差圧増加率ｄＰが所定の差圧増加率判定値ｄＰ0 より小さく、かつ、ＮＯｘ浄化率ＲNOx が所定のＮＯｘ浄化率判定値ＲNOx0よりも小さい時には、リッチ度を増加する変更を行い、その他の場合には、リッチ度を変更することなく、標準のリッチ度のままリターンする。
【００５６】
従って、ＤＰＦ入口排気温度Ｔent がＰＭの自己燃焼温度Ｔent0以上、即ち、ＰＭの自己着火する領域に入った場合に、差圧増加率ｄＰとＮＯｘ浄化率ＲNOx をモニターし、ＰＭの自己着火領域にもかかわらず、差圧ΔＰが上昇傾向にあり、ＰＭ蓄積量が増加していると判断した時には、リッチ度が過多でＰＭの発生量が多い状態を改善すべく、リッチ度を減少させ、ＰＭが蓄積しないようにすることができる。また、逆に差圧ΔＰは低下傾向にあるが、ＮＯｘ浄化率ＲNOx が低い場合には、リッチ度が過少でＮＯｘ吸蔵還元型触媒の再生が不充分であるという状態を改善すべく、リッチ度を増加してＮＯｘ浄化率ＲNOx を上昇させることができる。
【００５７】
なお、ＤＰＦ入口排気温度Ｔent がＰＭの自己燃焼温度Ｔent0未満の場合や、ＤＰＦ入口排気温度Ｔent がＰＭの自己着火する領域内であって差圧ΔＰが低下傾向にあっても、ＮＯｘ浄化率ＲNOx が高い場合には、リッチ度を変更せずに、標準のリッチ度でＮＯｘ吸蔵還元型触媒の再生のためのリッチ制御運転が行われる。
【００５８】
そして、これらのリッチ制御運転は、それぞれのリッチ頻度や目標酸素濃度で、エンジンＥの燃焼状態を一時的に変更し、また、ＨＣ（燃料等）還元剤をポスト噴射や排気管内噴射等により排気ガス中に供給し、排気ガスをリッチ空燃比の状態、即ち、低Ｏ2 濃度、高ＣＯ濃度、高温の状態にして、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ吸蔵材から吸蔵したＮＯｘを放出させて吸蔵能力を回復させると共に、放出されたＮＯｘを酸化触媒の触媒作用により排気ガス中のＨＣやＣＯ等の還元剤でＮ2 とＨ2 Ｏに還元する。
【００５９】
これらのエンジンの各運転状態に対応したリッチ度で、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の再生制御であるリッチ制御を行うことができるので、排気ガス中のＮＯｘとＰＭをバランスよく浄化できる。
【００６０】
【発明の効果】
以上の説明したように、本発明の排気ガス浄化方法及び排気ガス浄化システムによれば、ＤＰＦに流入する排気ガスの温度がＰＭの自己燃焼温度以上となった場合に、差圧増加率とＮＯｘ浄化率をモニターし、ＰＭの自己着火領域にもかかわらず、差圧が上昇傾向でＰＭ蓄積量が増加している時にはリッチ度を減少させ、ＰＭが蓄積しないようにすることができる。また、差圧は低下傾向にあるが、ＮＯｘ浄化率が低い場合には、リッチ度を増加してＮＯｘ浄化率を増加することができる。
【００６１】
従って、ＰＭが自己着火するような高負荷域のエンジン運転状態において、最適なＮＯｘ浄化率を維持しつつ、ＰＭ蓄積を抑えた最適なリッチ制御を行うことができ、排気ガス中のＮＯｘとＰＭをバランスよく浄化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化システムの構成を示す図である。
【図２】本発明に係る第１実施の形態の排気ガス浄化装置の構成を示す図である。
【図３】本発明に係る第２実施の形態の排気ガス浄化装置の構成を示す図である。
【図４】本発明に係る第３実施の形態の排気ガス浄化装置の構成を示す図である。
【図５】本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化方法のリッチ度変更制御フローの一例を示す図である。
【図６】ＰＭが自己着火するエンジンの運転領域を示す図である。
【図７】ＰＭが自己着火する領域におけるＮＯｘ浄化率とＰＭ蓄積量の関係を示す図である。
【符号の説明】
１ 排気ガス浄化システム
２０ 排気通路
４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ 排気ガス浄化装置
４１ 連続再生式ＤＰＦ
４１ａ 酸化触媒（ＤＯＣ）
４１ｂ ＤＰＦ
４２ ＮＯｘ吸蔵還元型触媒コンバータ
４３ ＮＯｘ還元型触媒を担持したＤＰＦ
４４ ＮＯｘ還元型触媒を担持した触媒付きＤＰＦ
５０ 制御装置（ＥＣＵ）
５１ 温度センサ
５２ 第１ＮＯｘ濃度センサ
５３ 第２ＮＯｘ濃度センサ
５４ 差圧センサ
Ｅ エンジン（内燃機関）
Claims (8)
- 内燃機関の排気ガスに対してＮＯｘ吸蔵還元型触媒によるＮＯｘ浄化と連続再生式ＤＰＦによるＰＭ浄化を行い、前記ＤＰＦに流入する排気ガスの温度を検出する温度センサと、前記ＤＰＦの前後差圧を検知する差圧センサと、前記ＤＰＦの単位時間当たりの差圧増加率を算出する制御装置を備えた排気ガス浄化システムにおいて、
前記温度センサで検出した排気ガスの温度がＰＭの自己燃焼温度以上であって、かつ、前記差圧増加率が所定の差圧増加率判定値以上の時に、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を再生するための触媒再生制御で行うリッチ制御において、リッチ度を減少することを特徴とする排気ガス浄化方法。 - 内燃機関の排気ガスに対してＮＯｘ吸蔵還元型触媒によるＮＯｘ浄化と連続再生式ＤＰＦによるＰＭ浄化を行い、前記ＤＰＦに流入する排気ガスの温度を検出する温度センサと、前記ＤＰＦの前後差圧を検知する差圧センサと、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の前後のＮＯｘ濃度を検出する第１ＮＯｘ濃度センサ及び第２ＮＯｘ濃度センサと、前記ＤＰＦの単位時間当たりの差圧増加率を算出し、かつ、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒前後のＮＯｘ濃度からＮＯｘ浄化率を算出する制御装置を備えた排気ガス浄化システムにおいて、
前記温度センサで検出した排気ガスの温度がＰＭの自己燃焼温度以上で、かつ、前記差圧増加率が所定の差圧増加率判定値以下であって、前記ＮＯｘ浄化率が所定のＮＯｘ浄化率判定値以上の時に、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を再生するための触媒再生制御で行うリッチ制御において、リッチ度を増加することを特徴とする排気ガス浄化方法。 - 前記温度センサで検出した排気ガスの温度がＰＭの自己燃焼温度以上であって、かつ、前記差圧増加率が所定の差圧増加率判定値以上の時に、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を再生するための触媒再生制御で行うリッチ制御において、リッチ度を減少することを特徴とする請求項２記載の排気ガス浄化方法。
- 内燃機関の排気ガスに対してＮＯｘ吸蔵還元型触媒によるＮＯｘ浄化と連続再生式ＤＰＦによるＰＭ浄化を行う排気ガス浄化システムにおいて、
前記ＤＰＦに流入する排気ガスの温度を検出する温度センサと、前記ＤＰＦの前後差圧を検知する差圧センサと、前記ＤＰＦの単位時間当たりの差圧増加率を算出する制御装置を備え、
前記制御装置が、前記温度センサで検出した排気ガスの温度がＰＭの自己燃焼温度以上であって、かつ、前記差圧増加率が所定の差圧増加率判定値以上の時に、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を再生するための触媒再生制御で行うリッチ制御において、排気ガスのリッチ度を減少することを特徴とする排気ガス浄化システム。 - 内燃機関の排気ガスに対してＮＯｘ吸蔵還元型触媒によるＮＯｘ浄化と連続再生式ＤＰＦによるＰＭ浄化を行う排気ガス浄化システムにおいて、
前記ＤＰＦに流入する排気ガスの温度を検出する温度センサと、前記ＤＰＦの前後差圧を検知する差圧センサと、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の前後のＮＯｘ濃度を検出する第１ＮＯｘ濃度センサ及び第２ＮＯｘ濃度センサと、前記ＤＰＦの単位時間当たりの差圧増加率を算出し、かつ、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒前後のＮＯｘ濃度からＮＯｘ浄化率を算出する制御装置を備え、
前記制御装置が、前記温度センサで検出した排気ガスの温度がＰＭの自己燃焼温度以上で、かつ、前記差圧増加率が所定の差圧増加率判定値以下であって、前記ＮＯｘ浄化率が所定のＮＯｘ浄化率判定値以上の時に、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を再生するための触媒再生制御で行うリッチ制御において、排気ガスのリッチ度を増加することを特徴とする排気ガス浄化システム。 - 前記制御装置が、前記温度センサで検出した排気ガスの温度がＰＭの自己燃焼温度以上であって、かつ、前記差圧増加率が所定の差圧増加率判定値以上の時に、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を再生するための触媒再生制御で行うリッチ制御において、リッチ度を減少することを特徴とする請求項５記載の排気ガス浄化方法。
- 前記連続再生式ＤＰＦが、上流側の酸化触媒と下流側のＤＰＦからなる連続再生式ＤＰＦ、酸化触媒を担持した触媒付きＤＰＦからなる連続再生式ＤＰＦ、酸化触媒とＰＭ酸化触媒の両方を担持した触媒付きＤＰＦからなる連続再生式ＤＰＦのいずれかであることを特徴とする請求項４〜６のいずか１項に記載の排気ガス浄化システム。
- 前記排気ガス浄化システムが、内燃機関の排気通路にＮＯｘ還元型触媒コンバータと連続再生式ＤＰＦを備えた排気ガス浄化システム、又は、ＮＯｘ還元型触媒を担持したＤＰＦを有する連続再生式ＤＰＦを備えた排気ガス浄化システムのいずれかであることを特徴とする請求項４〜７のいずれか１項に記載の排気ガス浄化システム。
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