JP4642549B2 - 排ガス浄化装置 - Google Patents
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Description
本発明は、排ガス浄化装置及び排ガス浄化方法に関し、特に、正確なパティキュレート量の検知ができ、的確な再生制御及び触媒の劣化検知ができる排ガス浄化装置に関する。
ディーゼルエンジンから排出される排ガス中には、パティキュレート（Particulate Matter：粒子状物質、以下ＰＭともいう）が含まれていることが知られている。このパティキュレートの浄化には、ディーゼル微粒子除去装置（ＤＰＦ）やキャタライズドスートフィルタ（ＣＳＦ）が一般的に用いられている。これらはいずれも、フィルタによりパティキュレートを捕集するものであるが、連続使用に際しては、フィルタ上に堆積したパティキュレートを燃焼してフィルタを再生させる必要がある。しかしながら、その燃焼には通常５５０℃〜６５０℃もの高温を要するため、外部の熱源や添加剤等の付加技術を用いてパティキュレートを強制的に燃焼し、フィルタの再生を行っているのが現状である。
ところで、フィルタの再生に際しては、その再生時期を判定する手段が必要である。従来の再生時期判定手段としては、ＥＮＧの運転履歴、フィルタ前後の差圧、又は、温度センサ等からパティキュレート堆積量を推定する手法が主流である。例えば、パティキュレート再生時期判断手段として、圧力センサ及びＥＮＧ履歴を用いた技術が開示されている（特許文献１参照）。この技術は、フィルタのパティキュレート堆積量を推定する手段と、複数の異なる方法に基づいてそれぞれフィルタの強制再生時期を判定する手段と、強制再生時期との判定を受けるとその判定方法に対応する強制再生モードとしてフィルタのパティキュレート堆積量に応じた強制再生温度及び強制再生時間を設定する手段と、強制再生時期との判定を受けると強制再生モードに基づいてフィルタ温度が強制再生温度以上の継続状態が強制再生時間に達するフィルタの強制的な昇温制御を解除する手段と、を備えたものである。この技術によれば、過剰な強制再生による燃費の悪化や堆積パティキュレートの異常燃焼によるフィルタ及び触媒の劣化を防止でき、強制再生を的確且つ効率良く処理できるとされている。
また、パティキュレート再生時期判断手段として、温度センサを用いた技術が開示されている（特許文献２参照）。この技術は、内燃機関の排気浄化装置において、排気通路に触媒を担持したパティキュレートフィルタ（ＤＰＮＲ）と同ＤＰＮＲに燃料を供給する添加燃料供給手段とを備えることにより、同ＤＰＮＲに着目した熱収支を求めるためのモデルを使用して同ＤＰＮＲの触媒床温を推定するものである。このモデルは、ＤＰＮＲに流入したパティキュレートの酸化熱量Ｑｐｍ、入ガスの熱量Ｑｉｎ、供給された添加燃料の反応熱量Ｑｒａｃｔ、排気ガス中の未燃燃料の反応熱量Ｑｈｃ、ＤＰＮＲ表面から放射される放出熱量Ｑｔｒｎｓ、及び、出ガスの熱量Ｑｅｘとを演算式により記述しており、排気浄化装置はこのモデルによりＤＰＮＲの熱収支を算出し、算出された熱収支とＤＰＮＲの熱容量とに基づいてＤＰＮＲの触媒床温を推定する。この技術によれば、触媒を担持したパティキュレートフィルタの触媒床温を精度良く推定する内燃機関の排気浄化装置を提供できるとされている。
また、パティキュレート再生時期判断手段として、燃料性状検出センサを用いた技術が開示されている（特許文献３参照）。この技術は、使用している燃料の比重を検出する比重検出手段及び検出された比重に基づいて、セタン価、オクタン価、蒸発性、発熱量、芳香族炭化水素含有量、の中の少なくとも一つの燃料性状を検出する燃料性状検出手段を備え、機関運転状態及び燃料性状検出手段により検出された燃料性状とに基づいてパティキュレート捕集フィルタに捕集されて堆積するパティキュレートの堆積量を求めるものである。この技術によれば、燃料性状により変化する炭素質（ＤＳ）成分及び有機溶剤可溶（ＳＯＦ）成分の排出特性に応じてＤＰＦの再生時期を制御できる。
一方、パティキュレート量を直接検知できる手段として、メタルハニカムや金属繊維等の金属フィルタに対し、電流値や電気抵抗を検知することでパティキュレート量を算出する手法がある。例えば、フィルタ詰まり検出手段として、金網フィルタ上に堆積したパティキュレートの電気抵抗を測定する技術が開示されている（特許文献４参照）。この技術における詰まり検出装置は、フィルタへのパティキュレート物質の堆積量によって変化するフィルタ中の隔置した二点間の電気抵抗値を検出してフィルタへのパティキュレート物質の捕集量を検出する。詰まり検出装置は、フィルタ中に配置された触媒層を構成する耐熱金属線に設けた第１電極と、フィルタの排気ガス流れの下流側に配置された金網の耐熱金属線に設けた第２電極との間の電気抵抗値を検出する比較器とブリッジ回路とから成る抵抗検出器から構成されている。この技術によれば、ディーゼルパティキュレートフィルタ装置は、フィルタに堆積したパティキュレート物質の捕集量、エンジン作動状態に左右されることなく、電気抵抗値を検出して判断できるとされている。
また、パティキュレート再生時期判断手段として、パティキュレートの電流値を用いた技術が開示されている（特許文献５参照）。この技術は、ガス中の煤粒子量を測定する煤粒子検出センサを、ガス通路管に、上流側から第１メタルハニカムと第２メタルハニカムを離間して設け、第１メタルハニカムに負の電圧を、第２メタルハニカムに正の電圧をそれぞれ加えると共に、第１メタルハニカムと第２メタルハニカムとの間に流れる電流Ｉｐを検出する電流計を備えたものである。この技術によれば、ディーゼルパティキュレートフィルタ装置におけるパティキュレートの堆積状態の監視に使用可能な、ガス中の煤粒子量を測定できる煤粒子検出センサとガス中の煤粒子検出方法を提供できるとされている。
特開２００５−５４６３４号公報
特開２００３−２５４０３８号公報
特開２００５−４８７０９号公報
特開２００２−９７９３２号公報
特許２００２−２８５８２２号公報
しかしながら、ＥＮＧの運転履歴、フィルタ前後の差圧、又は、温度センサ等からパティキュレート堆積量を推定する手法（特許文献１〜３）はいずれも、複数の手法を組み合わせたものであり、得られるパティキュレート堆積量も推定堆積量に過ぎない。また、金属フィルタの電流値や電気抵抗を検知する手法（特許文献４、５）では、部品点数が多いうえシステムが複雑であり、実車搭載技術としては不向きである。また、フィルタの再生に際して必要となる触媒の劣化検知システムも確立されていない。
従って、正確なパティキュレート量の検知ができ、的確な再生制御及び触媒の劣化検知ができる排ガス浄化装置は提供されておらず、このような排ガス浄化装置を提供することは、大気汚染等の環境対策において有益である。
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた。その結果、パティキュレートフィルタを備える排ガス浄化装置において、パティキュレートフィルタに流入する排ガスの酸化触媒反応による発熱温度と、パティキュレートフィルタを通過した排ガスの酸化触媒反応による発熱温度と、の差である示差熱値を検知することにより、正確なパティキュレート量を検知でき、的確なフィルタ再生制御及び触媒の劣化検知が可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。より具体的には、本発明は以下のようなものを提供する。
（１） 内燃機関の排気通路に設けられ前記内燃機関から排出される排ガス中に含まれるパティキュレートを捕集して堆積する、第一酸化触媒が担持されたパティキュレートフィルタと、前記パティキュレートを燃焼除去して前記パティキュレートフィルタを再生するパティキュレート除去装置と、前記パティキュレートフィルタのパティキュレート堆積量に基づいて、前記パティキュレート除去装置を駆動させるフィルタ制御手段と、を備える排ガス浄化装置であって、前記排気通路の前記パティキュレートフィルタより上流側に配置され第二酸化触媒から構成される上流側パティキュレートセンサと、前記排気通路の前記パティキュレートフィルタより下流側に配置され前記第二酸化触媒から構成される下流側パティキュレートセンサと、これらパティキュレートセンサ同士を接続し、熱起電力により前記パティキュレートセンサ同士の示差熱を検出する熱電対と、を備え、前記フィルタ制御手段は、前記熱電対により、前記パティキュレートフィルタに流入する排ガス及び前記上流側パティキュレートセンサの酸化触媒反応による発熱温度と、前記パティキュレートフィルタを通過した排ガス及び前記下流側パティキュレートセンサの酸化触媒反応による発熱温度と、の差である示差熱値を検知する示差熱検知手段と、前記示差熱値を積算して積算示差熱値を算出し、この積算示差熱値が所定値以上になると、前記パティキュレート除去装置を駆動させるパティキュレートフィルタ再生手段と、を備える排ガス浄化装置。
（１）の排ガス浄化装置は、排気通路の上流側及び下流側に同一の酸化触媒から構成されるパティキュレートセンサを配置し、パティキュレートフィルタに流入する排ガスと上流側パティキュレートセンサの酸化触媒反応による発熱温度と、パティキュレートフィルタを通過した排ガスと下流側パティキュレートセンサの酸化触媒反応による発熱温度と、の差である示差熱値を検知するものである。即ち、排ガス気流中でパティキュレートを酸化触媒反応して生じる発熱温度を直接且つ正確に検知することができるため、パティキュレート及び触媒の反応特性に基づいて、連続的に正確なパティキュレート量を検知できる。
パティキュレートセンサとしては、パティキュレートの低温燃焼が可能な酸化触媒を用いることが好ましく、酸化触媒が低温活性であるほど、センサは高活性、高レスポンス、省エネを実現できる。特に、ｓｏｏｔに対して活性の高い複合酸化物等を用いることにより、ｓｏｏｔ、ＳＯＦ比率の影響を低減でき、パティキュレート成分によらずに精度良くパティキュレート量を検出できる。このため、ＥＮＧ回転数／負荷の影響を受けることがない。
また、パティキュレートセンサにより得られる示差熱値を積算した積算示差熱値に基づいて、正確なパティキュレート堆積量を求めることができる。従って、この排ガス浄化装置によれば、より的確なフィルタ再生時期を判定できるうえ再生量の最適化ができ、過剰な強制再生による燃費の悪化や、堆積パティキュレートの異常燃焼によるフィルタ及び触媒の劣化を抑制できる。
（２） 前記排気通路の上流側及び下流側に設けられた加熱装置をさらに備え、前記フィルタ制御手段は、前記加熱装置で前記両パティキュレートセンサを構成する第二酸化触媒の種類に応じて予め設定された検知温度になるまで前記両パティキュレートセンサを加熱する検知温度加熱手段と、前記検知温度下で、前記熱電対により、前記パティキュレートフィルタに流入する排ガス及び前記上流側パティキュレートセンサの酸化触媒反応による発熱温度と、前記パティキュレートフィルタを通過した排ガス及び前記下流側パティキュレートセンサの酸化触媒反応による発熱温度と、の差である示差熱値を検知する検知温度下示差熱検知手段と、をさらに備える（１）記載の排ガス浄化装置。
（２）の排ガス浄化装置は、パティキュレートセンサを加熱する加熱装置をさらに備えるものであり、パティキュレート検知温度を任意に設定できる。本発明で用いられるパティキュレートセンサは、上述した通り、排ガスと酸化触媒との酸化触媒反応を利用したものであるため、酸化触媒反応が起こる温度下でなければならない。排ガス温度下でも酸化触媒反応は起こり得るが、より高温で酸化触媒反応が最も活性である温度に検知温度を設定することが好ましい。この点、（２）の排ガス浄化装置では、検知温度を任意に設定できるため、酸化触媒反応が最も活性である温度に検知温度を設定でき、より正確且つ高感度にパティキュレート量を求めることができる。
（３） 前記第二酸化触媒は、前記排ガスを通過させ前記パティキュレートを捕集する担体上に少なくとも一種の触媒材料を担持して形成されたものであり、前記フィルタ制御手段は、前記加熱装置で前記両パティキュレートセンサを構成する第二酸化触媒の種類に応じて予め設定されたＭｉｌ点灯温度になるまで前記両パティキュレートセンサを加熱するＭｉｌ点灯温度加熱手段と、前記Ｍｉｌ点灯温度下で、前記熱電対により、前記パティキュレートフィルタに流入する排ガス及び前記上流側パティキュレートセンサの酸化触媒反応による発熱温度と、前記パティキュレートフィルタを通過した排ガス及び前記下流側パティキュレートセンサの酸化触媒反応による発熱温度と、の差である示差熱値を検知するＭｉｌ点灯温度下示差熱検知手段と、前記示差熱値が正であると、前記パティキュレートフィルタに担持された第一酸化触媒が劣化状態であると判断し、警告する触媒劣化警告手段と、をさらに備える（２）記載の排ガス浄化装置。
（３）の排ガス浄化装置で用いられるパティキュレートセンサを構成する酸化触媒は、排ガス気流中のパティキュレートを捕集できるものであって、パティキュレートフィルタに担持された第一酸化触媒（排ガス浄化触媒）と同じ機能を有する。そして、このパティキュレートセンサを、酸化触媒種により予め設定されたＭｉｌ点灯温度まで加熱したときの示差熱値を検知するものである。ここで、Ｍｉｌ点灯温度は、触媒活性が消失する温度であり、実際に用いる第二酸化触媒の種類に応じて予め設定される。Ｍｉｌ点灯温度レベルの高温下では、パティキュレートは燃焼除去されるため、触媒が劣化していなければ、上流側パティキュレートセンサと下流側パティキュレートセンサの発熱温度に差は無く、示差熱値は０である。即ち、Ｍｉｌ点灯温度での示差熱値が正であると、パティキュレートフィルタに担持された第一酸化触媒が劣化していると判断でき、この場合に警告を発するものである。従って、この排ガス浄化装置によれば、上流側パティキュレートセンサの劣化度を通じて、パティキュレートフィルタに担持された第一酸化触媒の劣化度を正確に検知できる。
（４） 前記Ｍｉｌ点灯温度加熱手段による昇温過程において、前記熱電対により、前記パティキュレートフィルタに流入する排ガス及び前記上流側パティキュレートセンサの酸化触媒反応による発熱温度と、前記パティキュレートフィルタを通過した排ガス及び前記下流側パティキュレートセンサの酸化触媒反応による発熱温度と、の差である示差熱値を検知する昇温過程示差熱検知手段と、前記昇温過程示差熱検知手段で検知された示差熱値と、前記パティキュレートフィルタの触媒劣化度から予め設定されたＥＮＧ制御マップに基づいて、前記内燃機関の燃料噴射量を制御する燃料噴射量制御手段及び前記燃料噴射のタイミングを制御する燃料噴射タイミング制御手段と、を有する内燃機関制御手段をさらに備える（３）記載の排ガス浄化装置。
（４）の排ガス浄化装置は、Ｍｉｌ点灯温度までパティキュレートセンサを昇温させたときの昇温過程における示差熱値を検知して、内燃機関の燃料制御を行うものである。上述した通り、本発明に係るパティキュレートセンサは正確なパティキュレート量の検知及び触媒の劣化検知が可能であり、これをＥＮＧ状態によるパティキュレート量に応じた燃料制御に利用したものである。具体的には、Ｍｉｌ点灯温度までの昇温過程における示差熱値が０である温度から触媒劣化度を判断し、予めパティキュレート量と触媒劣化度との関係から作成されたＥＮＧ制御マップに基づいて、最適な燃料噴射量および燃料噴射タイミングを制御でき、内燃機関のフィードバック制御、フィードフォワード制御等に利用できる。
（５） 内燃機関の排気通路に設けられ前記内燃機関から排出される排ガス中に含まれるパティキュレートを捕集して堆積する、第一酸化触媒が担持されたパティキュレートフィルタと、前記パティキュレートを燃焼除去して前記パティキュレートフィルタを再生するパティキュレート除去装置と、前記パティキュレートフィルタのパティキュレート堆積量に基づいて、前記パティキュレート除去装置を駆動させる制御手段と、を備える排ガス浄化装置のパティキュレートフィルタ再生方法であって、前記排気通路の前記パティキュレートフィルタより上流側に配置され第二酸化触媒から構成される上流側パティキュレートセンサと、前記排気通路の前記パティキュレートフィルタより下流側に配置され前記第二酸化触媒から構成される下流側パティキュレートセンサと、これらパティキュレートセンサ同士を接続し、熱起電力により前記パティキュレートセンサ同士の示差熱を検出する熱電対と、を設け、前記熱電対により、前記パティキュレートフィルタに流入する排ガス及び前記上流側パティキュレートセンサの酸化触媒反応による発熱温度と、前記パティキュレートフィルタを通過した排ガス及び前記下流側パティキュレートセンサの酸化触媒反応による発熱温度と、の差である示差熱値を検知する示差熱検知手順と、前記示差熱値を積算して積算示差熱値を算出し、この積算示差熱値が所定値以上になると、前記パティキュレート除去装置を駆動させるパティキュレートフィルタ再生手順と、を備えるパティキュレートフィルタ再生方法。
（５）の排ガス浄化装置のパティキュレートフィルタ再生方法によれば、正確なパティキュレート量の検知ができるため、的確な再生制御及び触媒の劣化検知が可能なパティキュレートフィルタ再生方法を提供できる。
本発明によれば、正確なパティキュレート量の検知ができ、的確な再生制御及び触媒の劣化検知ができる排ガス浄化装置を提供できる。また、パティキュレート量及び触媒の劣化度を正確に検知できるパティキュレートセンサを用いることにより、パティキュレート捕集率、フィルター劣化度、パティキュレート浄化率の検知の他、ＥＮＧ制御等の様々な技術に対して有効利用できる。
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
本実施形態に係る排ガス浄化装置のブロック図を図１に示す。図１に示すように、本実施形態に係る排ガス浄化装置１は、パティキュレートフィルタ１０、パティキュレート除去装置１１、上流側パティキュレートセンサ１２、下流側パティキュレートセンサ１３、熱電対１４、加熱装置１５を備える。また、制御手段１００として、フィルタ制御手段１１０、内燃機関制御手段１２０を備える。
ここで、上流側及び下流側に配置されるパティキュレートセンサに用いられる第二酸化触媒は、排ガスを通過させパティキュレートを捕集することが可能な担体上に、少なくとも一種の触媒材料を担持させて形成されたものである。担体としては、パティキュレートが捕集可能なものであれば特に限定はされず、例えば、ＤＰＦ（ディーゼル微粒子除去装置）の原材料であるＳｉＣやコージェライト等の細孔を有するもの、メッシュフィルター、発泡形状のセラミックス、金属繊維等が用いられる。また、触媒材料としては、少なくとも一種の元素から形成される酸化触媒で、酸化触媒の種類は特に限定されず、パティキュレート低温燃焼が可能な材料であればよい。なお、触媒材料の担体への担持方法も特に限定されない。
制御手段１００のブロック図を図２に示す。図２に示すように、本実施形態に係る制御手段１００は、検知温度加熱手段１１１、検知温度下示差熱検知手段１１２、パティキュレートフィルタ再生手段１１３、Ｍｉｌ点灯温度加熱手段１１４、Ｍｉｌ点灯温度下示差熱検知手段１１５、触媒劣化警告手段１１６を備えるフィルタ制御手段１１０と、昇温過程示差熱検知手段１２１、燃料噴射量制御手段１２２を備える内燃機関制御手段１２０とから構成される。
次に、本発明に係る排ガス浄化装置１の動作について説明する。本発明に係る排ガス浄化装置１の動作フロー図は図３の通りであり、このフロー図に従って、パティキュレート量検出モード及び劣化検知モードを説明する。
＜パティキュレート量検出モード＞
ＳＴ１では、上流側と下流側の両方に備えられた加熱装置１５により、酸化触媒の種類により予め設定されたパティキュレート検知温度まで上流側パティキュレートセンサ１２及び下流側パティキュレートセンサ１３を昇温する。検知温度は、実際に用いる酸化触媒に所定量のパティキュレートを接触させた後、ＤＴＡ測定を行うことにより求めることができる。具体的には、検知可能下限のパティキュレート量のＤＴＡ曲線におけるピーク温度をパティキュレート検知温度とすることが好ましい。
ＳＴ１では、上流側と下流側の両方に備えられた加熱装置１５により、酸化触媒の種類により予め設定されたパティキュレート検知温度まで上流側パティキュレートセンサ１２及び下流側パティキュレートセンサ１３を昇温する。検知温度は、実際に用いる酸化触媒に所定量のパティキュレートを接触させた後、ＤＴＡ測定を行うことにより求めることができる。具体的には、検知可能下限のパティキュレート量のＤＴＡ曲線におけるピーク温度をパティキュレート検知温度とすることが好ましい。
ＳＴ２及びＳＴ３では、ＳＴ１において検知温度まで加熱された両パティキュレートセンサの起電力を熱電対１４により検出した後、検知温度下示差熱検知手段１１２により、上流側パティキュレートセンサ１２の起電力と下流側パティキュレートセンサ１３の起電力との差から、検知温度での示差熱値（Ｄ）を検知する。
ＳＴ４〜ＳＴ７では、パティキュレートフィルタ再生手段１１３により、ＳＴ３で検知された示差熱値（Ｄ）を積算して積算示差熱値（Ｄａ）を算出し、この積算示差熱値（Ｄａ）が所定値以上であるか否かを判断する。そして、積算示差熱値（Ｄａ）が所定値以上である場合には、パティキュレート除去装置１１を駆動させて、堆積したパティキュレートを燃焼除去する再生処理が施される。また、積算示差熱値（Ｄａ）が所定値以下である場合には、継続してパティキュレートの捕集が行われる。
前記所定値としては、用いる酸化触媒の種類に応じて予め設定された再生示差熱値（Ｄｒ）が利用される。この再生示差熱値（Ｄｒ）は、酸化触媒に所定量のパティキュレートを接触させた後、ＤＴＡ測定を行って得られるＤＴＡ特性から設定される。
一方、ＳＴ８では、ＳＴ３で検知された示差熱値（Ｄ）から連続的にパティキュレート量を算出し、ＳＴ９のＥＮＧ制御（燃料噴射量制御及び燃料噴射タイミング制御）に反映させる。
＜劣化検知モード＞
ＳＴ１０では、上流側と下流側の両方に備えられた加熱装置１５により、上流側パティキュレートセンサ１２及び下流側パティキュレートフィルタ１３をＭｉｌ点灯温度まで昇温する。このＭｉｌ点灯温度は、実際に用いる酸化触媒の種類により予め設定される。具体的には、酸化触媒に所定量のパティキュレートを接触させた後、ＤＴＡ測定を行うことにより得られるＤＴＡ特性に基づいて設定される。
ＳＴ１０では、上流側と下流側の両方に備えられた加熱装置１５により、上流側パティキュレートセンサ１２及び下流側パティキュレートフィルタ１３をＭｉｌ点灯温度まで昇温する。このＭｉｌ点灯温度は、実際に用いる酸化触媒の種類により予め設定される。具体的には、酸化触媒に所定量のパティキュレートを接触させた後、ＤＴＡ測定を行うことにより得られるＤＴＡ特性に基づいて設定される。
ＳＴ１１では、ＳＴ１０においてＭｉｌ点灯温度まで加熱された両パティキュレートセンサの起電力を熱電対１４により検出した後、Ｍｉｌ点灯温度下示差熱検知手段１１５により、上流側パティキュレートセンサ１２の起電力と下流側パティキュレートセンサ１３の起電力との差から、Ｍｉｌ点灯温度での示差熱値を検知する。
ＳＴ１２では、触媒劣化警告手段１１６により、ＳＴ１１で検知されたＭｉｌ点灯温度での示差熱値が正である場合には、パティキュレートフィルタ１０に担持された第一酸化触媒が劣化状態であると判断し、警告ランプを点灯させる。
一方、ＳＴ１３では、加熱装置１５によりＭｉｌ点灯温度まで昇温させる昇温過程において、昇温過程示差熱検知手段１２１により、昇温過程での示差熱値を検知する。そして、燃料噴射量制御手段１２２及び燃料噴射タイミング制御手段１２３により、この昇温過程での示差熱値と、パティキュレートフィルタの酸化触媒劣化度から予め設定されたＥＮＧ制御マップとに基づいて、燃料の噴射量及びタイミングが制御される（ＳＴ９）。
次に、本発明におけるパティキュレート検知温度、パティキュレートフィルタ再生手段、Ｍｉｌ点灯温度、ＥＮＧ制御マップについて詳しく説明する。
［パティキュレート検知温度］
所定の酸化触媒に所定量のパティキュレートを接触させたときのＤＴＡ曲線を図４に示す。図４に示す通り、パティキュレート量が増加するに従って、ピークトップは高温側にシフトするものの、燃焼温度領域はほぼ一定である。これは、燃焼温度領域は酸化触媒の種類に依存し、パティキュレート量の影響を受けないことを意味する。従って、パティキュレート検知温度を、この燃焼温度領域、好ましくは、検知可能下限のパティキュレート量を接触させたときのピーク温度に設定することにより、パティキュレート量を正確且つ高感度に検知できる。
所定の酸化触媒に所定量のパティキュレートを接触させたときのＤＴＡ曲線を図４に示す。図４に示す通り、パティキュレート量が増加するに従って、ピークトップは高温側にシフトするものの、燃焼温度領域はほぼ一定である。これは、燃焼温度領域は酸化触媒の種類に依存し、パティキュレート量の影響を受けないことを意味する。従って、パティキュレート検知温度を、この燃焼温度領域、好ましくは、検知可能下限のパティキュレート量を接触させたときのピーク温度に設定することにより、パティキュレート量を正確且つ高感度に検知できる。
［パティキュレートフィルタ再生手段］
パティキュレートを堆積させた酸化触媒について、パティキュレート量と積算示差熱値との関係を図５に示す。図５に示す通り、パティキュレート検知温度下において、パティキュレート量と積算示差熱値とは比例関係にある。即ち、予め再生パティキュレート量を設定することにより、再生示差熱積算値が決定される。従って、本発明のパティキュレートフィルタ再生手段により、的確な再生時期を判断できる。
パティキュレートを堆積させた酸化触媒について、パティキュレート量と積算示差熱値との関係を図５に示す。図５に示す通り、パティキュレート検知温度下において、パティキュレート量と積算示差熱値とは比例関係にある。即ち、予め再生パティキュレート量を設定することにより、再生示差熱積算値が決定される。従って、本発明のパティキュレートフィルタ再生手段により、的確な再生時期を判断できる。
［Ｍｉｌ点灯温度］
パティキュレートを堆積させた酸化触媒について、パティキュレートセンサをパティキュレート検知温度からＭｉｌ点灯温度まで段階的に昇温させたときのＤＴＡ曲線を図６に示す。Ｍｉｌ点灯温度より低温側では、パティキュレート量に関わらず、ＤＴＡ値は０であり、触媒は正常レベルにある。しかしながら、図７に示すように、Ｍｉｌ点灯温度より高温側では、いずれもＤＴＡ値は正となり、劣化していることが分かる。
パティキュレートを堆積させた酸化触媒について、パティキュレートセンサをパティキュレート検知温度からＭｉｌ点灯温度まで段階的に昇温させたときのＤＴＡ曲線を図６に示す。Ｍｉｌ点灯温度より低温側では、パティキュレート量に関わらず、ＤＴＡ値は０であり、触媒は正常レベルにある。しかしながら、図７に示すように、Ｍｉｌ点灯温度より高温側では、いずれもＤＴＡ値は正となり、劣化していることが分かる。
［ＥＮＧ制御マップ］
本発明に係るＥＮＧ制御マップの一例を図８に示す。図８は、パティキュレート量と触媒劣化度からＥＮＧ制御マップを作成したものである。例えば、パティキュレート量が多い場合又は触媒劣化度が大きい場合には、燃料噴射量が多く、燃料噴射のタイミングが早いことが分かり、燃料噴射量を少なくし、燃料噴射のタイミングを遅くすべきであることが分かる。即ち、検知されるパティキュレート量又は触媒劣化度と、このＥＮＧ制御マップとに基づいて、燃料噴射量や燃料噴射タイミングを最適に制御できる。
本発明に係るＥＮＧ制御マップの一例を図８に示す。図８は、パティキュレート量と触媒劣化度からＥＮＧ制御マップを作成したものである。例えば、パティキュレート量が多い場合又は触媒劣化度が大きい場合には、燃料噴射量が多く、燃料噴射のタイミングが早いことが分かり、燃料噴射量を少なくし、燃料噴射のタイミングを遅くすべきであることが分かる。即ち、検知されるパティキュレート量又は触媒劣化度と、このＥＮＧ制御マップとに基づいて、燃料噴射量や燃料噴射タイミングを最適に制御できる。
以下、本発明に際して行った試験例を記載する。
＜試験例１：ＬａＭｎＯ３／Ｃｓ＋１重量％ＰＭ＞
市販の特級試薬の硝酸ランタン、硝酸マンガン、及び、Ｈ２Ｏを所定の組成となるように秤量し水溶液１とした。炭酸セシウム及びＨ２Ｏを所定の組成となるように秤量し水溶液２とした。水溶液１を水溶液２へ滴下して６０℃×１Ｈｒ熟成を行った後、ろ過、水洗して３５０℃で仮焼後、２μｍ以下の粉末となるように整粒し、粉末を８００℃×１ＯＨｒで焼成して触媒Ａとした。この触媒Ａに対し、１００：１（重量比）で粒子状物質Ａを接触させた。
＜試験例１：ＬａＭｎＯ３／Ｃｓ＋１重量％ＰＭ＞
市販の特級試薬の硝酸ランタン、硝酸マンガン、及び、Ｈ２Ｏを所定の組成となるように秤量し水溶液１とした。炭酸セシウム及びＨ２Ｏを所定の組成となるように秤量し水溶液２とした。水溶液１を水溶液２へ滴下して６０℃×１Ｈｒ熟成を行った後、ろ過、水洗して３５０℃で仮焼後、２μｍ以下の粉末となるように整粒し、粉末を８００℃×１ＯＨｒで焼成して触媒Ａとした。この触媒Ａに対し、１００：１（重量比）で粒子状物質Ａを接触させた。
＜試験例２：ＬａＭｎＯ３／Ｃｓ＋６重量％ＰＭ＞
試験例１の触媒Ａに対し、１００：６（重量比）で粒子状物質Ａを接触させた。
試験例１の触媒Ａに対し、１００：６（重量比）で粒子状物質Ａを接触させた。
＜試験例３：ＬａＭｎＯ３／Ｃｓ＋９重量％ＰＭ＞
試験例１の触媒Ａに対し、１００：９（重量比）で粒子状物質Ａを接触させた。
試験例１の触媒Ａに対し、１００：９（重量比）で粒子状物質Ａを接触させた。
＜試験例４：ＬａＭｎ０３／Ｃｓ十１３重量％ＰＭ＞
試験例１の触媒Ａに対し、１００：１３（重量比）で粒子状物質Ａを接触させた。
試験例１の触媒Ａに対し、１００：１３（重量比）で粒子状物質Ａを接触させた。
＜試験例５：１０重量％Ｃｓ２ＣＯ３／ＬａＭｎＯ３（Ｆｒｅｓｈ）十５重量％ＰＭ＞
市販の特級試薬の硝酸ランタン、硝酸マンガン、及び、Ｈ２Ｏを所定の組成となるように秤量し水溶液１とした。炭酸ナトリウム及びＨ２Ｏを所定の組成となるように秤量し水溶液２とした。水溶液１を水溶液２へ滴下して６０℃×１Ｈｒ熟成を行った後、ろ過、水洗して３５０℃で仮焼後、２μｍ以下の粉末となるように整粒し、粉末を８００℃×１ＯＨｒで焼成して触媒Ｂとした。この触媒Ｂに対し、Ｃｓ２ＣＯ３を１０重量％となるように粉砕混合し、８００℃×１Ｈｒで焼成し、固相反応させたものを触媒Ｃとした。この触媒Ｃに対し、２０：１（重量比）で粒子状物質Ａを接触させた。
市販の特級試薬の硝酸ランタン、硝酸マンガン、及び、Ｈ２Ｏを所定の組成となるように秤量し水溶液１とした。炭酸ナトリウム及びＨ２Ｏを所定の組成となるように秤量し水溶液２とした。水溶液１を水溶液２へ滴下して６０℃×１Ｈｒ熟成を行った後、ろ過、水洗して３５０℃で仮焼後、２μｍ以下の粉末となるように整粒し、粉末を８００℃×１ＯＨｒで焼成して触媒Ｂとした。この触媒Ｂに対し、Ｃｓ２ＣＯ３を１０重量％となるように粉砕混合し、８００℃×１Ｈｒで焼成し、固相反応させたものを触媒Ｃとした。この触媒Ｃに対し、２０：１（重量比）で粒子状物質Ａを接触させた。
＜試験例６：１０重量％Ｃｓ２ＣＯ３／ＬａＭｎＯ３（９００℃Ａｇｉｎｇ）十５重量％ＰＭ＞
試験例５の触媒Ｃを９００℃、５Ｈｒでサーマルエージングしたものを触媒Ｄとし、この触媒Ｄに対し、２０：１（重量比）で粒子状物質Ａを接触させた。
試験例５の触媒Ｃを９００℃、５Ｈｒでサーマルエージングしたものを触媒Ｄとし、この触媒Ｄに対し、２０：１（重量比）で粒子状物質Ａを接触させた。
＜試験例７：１０重量％Ｃｓ２ＣＯ３／ＬａＭｎＯ３（１０００℃Ａｇｉｎｇ）十５重量％ＰＭ＞
試験例５の触媒Ｃを１０００℃、５Ｈｒでサーマルエージングしたものを触媒Ｅとし、この触媒Ｅに対し、２０：１（重量比）で粒子状物質Ａを接触させた。
試験例５の触媒Ｃを１０００℃、５Ｈｒでサーマルエージングしたものを触媒Ｅとし、この触媒Ｅに対し、２０：１（重量比）で粒子状物質Ａを接触させた。
＜試験例８：１０重量％Ｃｓ２ＣＯ３／ＬａＭｎＯ３（Ｆｒｅｓｈ）十５重量％ＰＭ（ＨＣ：１３重量％）＞
試験例５の触媒Ｃに対し、２０：１（重量比）で粒子状物質Ａを接触させた。
試験例５の触媒Ｃに対し、２０：１（重量比）で粒子状物質Ａを接触させた。
＜試験例９：１０重量％Ｃｓ２ＣＯ３／ＬａＭｎＯ３（Ｆｒｅｓｈ）十５重量％ＰＭ（ＨＣ：４２重量％）＞
試験例５の触媒Ｃに対し、２０：１（重量比）で粒子状物質Ｂを接触させた。
試験例５の触媒Ｃに対し、２０：１（重量比）で粒子状物質Ｂを接触させた。
＜比較例１：ＰＭ（ＨＣ：１３重量％）＞
Ｉｄｌｅ状態でのディーゼル発電機より採取した微粒子状物質Ａを準備した。
Ｉｄｌｅ状態でのディーゼル発電機より採取した微粒子状物質Ａを準備した。
＜比較例２：ＰＭ（ＨＣ：４２重量％）＞
３６００ｒｐｍ状態でのディーゼル発電機より採取した微粒状物質Ｂを準備した。
３６００ｒｐｍ状態でのディーゼル発電機より採取した微粒状物質Ｂを準備した。
試験例１〜９で得られた各触媒、及び、比較例１及び２の各パティキュレートについて、ＤＴＡ（示差熱測定装置）測定を実施した。装置としては、ＳＩＩ社製ＴＧ／ＤＴＡ装置「ＥＸＳＴＡＲ ６０００」を用い、流量１００ｍｌ／ｍｉｎのＤｒｙ Ａｉｒ雰囲気下で、昇温条件を１０℃/ｍｉｎとし、サンプル量を１０ｍｇとして測定を実施した。
試験例１〜４の各触媒について、ＤＴＡと温度との関係を図９に示した。図９に示す通り、酸化触媒にＬａＭｎＯ３／Ｃｓを用いた試験例１〜４では、接触させたパティキュレート量が増加すると燃焼領域はほぼ一様であるが、発熱量は増加した。この結果から、パティキュレート量と発熱量には比例関係があることが分かり、発熱量を測定することによりパティキュレート量を算出できることが確認された。
試験例５〜７の各触媒と、比較例１のパティキュレートについて、ＤＴＧ（加熱重量）と温度との関係を図１０に示した。図１０に示す通り、酸化触媒１０重量％Ｃｓ２ＣＯ３／ＬａＭｎＯ３をサーマル雰囲気でエージングして触媒を劣化させると、パティキュレート量が一定の場合にはＤＴＧ特性が高温側ヘシフトした。そして、触媒を１０００℃でエージングすることにより、パティキュレートと同一の特性となった。この結果から、触媒の種類により最適な温度（パティキュレートのＤＴＡ値がゼロになる直前の温度）でＤＴＡ値を測定することで、触媒の劣化検知が可能であることが確認された。
比較例１及び２の各パティキュレートについて、ＤＴＡと温度との関係を図１１に示した。また、これらのパティキュレートに触媒を接触させた場合におけるＤＴＡと温度との関係を図１２に示した。これらの図から明らかであるように、パティキュレートのみの場合には、パティキュレートはＨＣ量の影響を受けて比較例１と２とのＤＴＡ特性が大きく異なっていたのに対して、触媒存在下においては、触媒の効果によりＨＣの影響が減少し、両者のＤＴＡ特性はほぼ同等であった。これは、ｓｏｏｔの酸化力の強い触媒は、ｓｏｏｔをより低温で燃焼することができるため、ＨＣの燃焼温度域と重なり、ＤＴＡ特性が大きく異なることを防止できるからである。従って、この結果から、パティキュレートのみの場合には、パティキュレート量を正確に算出することが不可能であるが、触媒存在下においては、ＤＴＡ値からパティキュレート量を正確に算出できることが確認された。
１ 排ガス浄化装置
１０ パティキュレートフィルタ
１１ パティキュレート除去装置
１２ 上流側パティキュレートセンサ
１３ 下流側パティキュレートセンサ
１４ 熱電対
１５ 加熱装置
１００ 制御手段
１１０ フィルタ制御手段
１１１ 検知温度加熱手段
１１２ 検知温度下示差熱検知手段
１１３ パティキュレートフィルタ再生手段
１１４ Ｍｉｌ点灯温度加熱手段
１１５ Ｍｉｌ点灯温度下示差熱検知手段
１１６ 触媒劣化警告手段
１２０ 内燃機関制御手段
１２１ 昇温過程示差熱検知手段
１２２ 燃料噴射量制御手段
１２３ 燃料噴射タイミング制御手段
１０ パティキュレートフィルタ
１１ パティキュレート除去装置
１２ 上流側パティキュレートセンサ
１３ 下流側パティキュレートセンサ
１４ 熱電対
１５ 加熱装置
１００ 制御手段
１１０ フィルタ制御手段
１１１ 検知温度加熱手段
１１２ 検知温度下示差熱検知手段
１１３ パティキュレートフィルタ再生手段
１１４ Ｍｉｌ点灯温度加熱手段
１１５ Ｍｉｌ点灯温度下示差熱検知手段
１１６ 触媒劣化警告手段
１２０ 内燃機関制御手段
１２１ 昇温過程示差熱検知手段
１２２ 燃料噴射量制御手段
１２３ 燃料噴射タイミング制御手段
Claims (5)
- 内燃機関の排気通路に設けられ前記内燃機関から排出される排ガス中に含まれるパティキュレートを捕集して堆積する、第一酸化触媒が担持されたパティキュレートフィルタと、
前記パティキュレートを燃焼除去して前記パティキュレートフィルタを再生するパティキュレート除去装置と、
前記パティキュレートフィルタのパティキュレート堆積量に基づいて、前記パティキュレート除去装置を駆動させるフィルタ制御手段と、を備える排ガス浄化装置であって、
前記排気通路の前記パティキュレートフィルタより上流側に配置され第二酸化触媒から構成される上流側パティキュレートセンサと、
前記排気通路の前記パティキュレートフィルタより下流側に配置され前記第二酸化触媒から構成される下流側パティキュレートセンサと、
これらパティキュレートセンサ同士を接続し、熱起電力により前記パティキュレートセンサ同士の示差熱を検出する熱電対と、を備え、
前記フィルタ制御手段は、前記熱電対により、前記パティキュレートフィルタに流入する排ガス及び前記上流側パティキュレートセンサの酸化触媒反応による発熱温度と、前記パティキュレートフィルタを通過した排ガス及び前記下流側パティキュレートセンサの酸化触媒反応による発熱温度と、の差である示差熱値を検知する示差熱検知手段と、
前記示差熱値を積算して積算示差熱値を算出し、この積算示差熱値が所定値以上になると、前記パティキュレート除去装置を駆動させるパティキュレートフィルタ再生手段と、を備える排ガス浄化装置。 - 前記排気通路の上流側及び下流側に設けられた加熱装置をさらに備え、
前記フィルタ制御手段は、前記加熱装置で前記両パティキュレートセンサを構成する第二酸化触媒の種類に応じて予め設定された検知温度になるまで前記両パティキュレートセンサを加熱する検知温度加熱手段と、
前記検知温度下で、前記熱電対により、前記パティキュレートフィルタに流入する排ガス及び前記上流側パティキュレートセンサの酸化触媒反応による発熱温度と、前記パティキュレートフィルタを通過した排ガス及び前記下流側パティキュレートセンサの酸化触媒反応による発熱温度と、の差である示差熱値を検知する検知温度下示差熱検知手段と、を
さらに備える請求項１記載の排ガス浄化装置。 - 前記第二酸化触媒は、前記排ガスを通過させ前記パティキュレートを捕集する担体上に少なくとも一種の触媒材料を担持して形成されたものであり、
前記フィルタ制御手段は、前記加熱装置で前記両パティキュレートセンサを構成する第二酸化触媒の種類に応じて予め設定されたＭｉｌ点灯温度になるまで前記両パティキュレートセンサを加熱するＭｉｌ点灯温度加熱手段と、
前記Ｍｉｌ点灯温度下で、前記熱電対により、前記パティキュレートフィルタに流入する排ガス及び前記上流側パティキュレートセンサの酸化触媒反応による発熱温度と、前記パティキュレートフィルタを通過した排ガス及び前記下流側パティキュレートセンサの酸化触媒反応による発熱温度と、の差である示差熱値を検知するＭｉｌ点灯温度下示差熱検知手段と、
前記示差熱値が正であると、前記パティキュレートフィルタに担持された第一酸化触媒が劣化状態であると判断し、警告する触媒劣化警告手段と、をさらに備える請求項２記載の排ガス浄化装置。 - 前記Ｍｉｌ点灯温度加熱手段による昇温過程において、前記熱電対により、前記パティキュレートフィルタに流入する排ガス及び前記上流側パティキュレートセンサの酸化触媒反応による発熱温度と、前記パティキュレートフィルタを通過した排ガス及び前記下流側パティキュレートセンサの酸化触媒反応による発熱温度と、の差である示差熱値を検知する昇温過程示差熱検知手段と、
前記昇温過程示差熱検知手段で検知された示差熱値と、前記パティキュレートフィルタの触媒劣化度から予め設定されたＥＮＧ制御マップに基づいて、前記内燃機関の燃料噴射量を制御する燃料噴射量制御手段及び前記燃料噴射のタイミングを制御する燃料噴射タイミング制御手段と、を有する内燃機関制御手段をさらに備える請求項３記載の排ガス浄化装置。 - 内燃機関の排気通路に設けられ前記内燃機関から排出される排ガス中に含まれるパティキュレートを捕集して堆積する、第一酸化触媒が担持されたパティキュレートフィルタと、
前記パティキュレートを燃焼除去して前記パティキュレートフィルタを再生するパティキュレート除去装置と、
前記パティキュレートフィルタのパティキュレート堆積量に基づいて、前記パティキュレート除去装置を駆動させる制御手段と、を備える排ガス浄化装置のパティキュレートフィルタ再生方法であって、
前記排気通路の前記パティキュレートフィルタより上流側に配置され第二酸化触媒から構成される上流側パティキュレートセンサと、
前記排気通路の前記パティキュレートフィルタより下流側に配置され前記第二酸化触媒から構成される下流側パティキュレートセンサと、
これらパティキュレートセンサ同士を接続し、熱起電力により前記パティキュレートセンサ同士の示差熱を検出する熱電対と、を設け、
前記熱電対により、前記パティキュレートフィルタに流入する排ガス及び前記上流側パティキュレートセンサの酸化触媒反応による発熱温度と、前記パティキュレートフィルタを通過した排ガス及び前記下流側パティキュレートセンサの酸化触媒反応による発熱温度と、の差である示差熱値を検知する示差熱検知手順と、
前記示差熱値を積算して積算示差熱値を算出し、この積算示差熱値が所定値以上になると、前記パティキュレート除去装置を駆動させるパティキュレートフィルタ再生手順と、を備えるパティキュレートフィルタ再生方法。
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- 2005-05-19 JP JP2005146319A patent/JP4642549B2/ja not_active Expired - Fee Related
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