WO2013005335A1 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

内燃機関の排気浄化装置 Download PDF

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中山　茂樹
寛真 西岡
克彦 押川
佳久 塚本
寛 大月
大地 今井
潤一 松尾
菅原　康
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Definitions

  • the present invention relates to an exhaust purification device for an internal combustion engine.
  • a diesel particulate filter (hereinafter referred to as “DPF”) is installed in the exhaust gas passage of the internal combustion engine, Generally, PM in exhaust gas is collected and removed.
  • PM regeneration since the PM collected in the DPF gradually accumulates, regeneration (hereinafter referred to as “PM regeneration”) is performed periodically or by detecting a decrease in the performance of the DPF and burning and removing the PM collected in the DPF. ”).
  • PM regeneration operation is usually performed by heating the DPF while supplying a reducing agent such as hydrocarbon (HC) to the DPF.
  • a reducing agent such as hydrocarbon (HC)
  • Ash is generated when the engine oil mixed in the cylinder of the engine burns, and the generated ash particles are covered with PM in the DPF.
  • the ash particles covered with PM are exposed to high temperature conditions during the PM regeneration operation in the DPF, and the PM covering the ash particles is burned and removed.
  • Ash deposition occurs because the ash particles are agglomerated and increased in size by further applying heat to the ash particles from which the PM has been burned and removed.
  • the improvement to the conventional DPF and the improvement to the regeneration operation of the DPF are intended to improve the collection efficiency of the DPF and improve the performance of the PM regeneration operation, and not to the accumulation of ash.
  • an invention disclosed in Patent Document 1 for example, there is an invention disclosed in Patent Document 1, and Patent Document 1 shows a configuration of a DPF capable of burning PM at a relatively low temperature. Yes.
  • the structure of the DPF disclosed in Patent Document 1 is characterized in that, in the DPF and the exhaust gas purification method using the DPF, a catalyst made of a solid superacid having an active metal supported on the DPF is held on the filter surface. is there.
  • Patent Document 1 reduces the combustion temperature of PM with a solid super strong acid carrying an active metal, and regenerates DPF at a lower temperature than before, preferably continuously, and CO, HC, NO, NO 2 can be removed at the same time.
  • Patent Document 1 is intended to improve the performance of the PM regeneration operation, and does not correspond to the accumulation of ash. If the use of the DPF is continued, the PM regeneration operation is performed. However, this does not solve the problem that the pressure loss of the DPF gradually increases, and unless the PM regeneration temperature is gradually increased, sufficient regeneration cannot be performed and the fuel consumption deteriorates.
  • Patent Document 2 which is selected from platinum, palladium and rhodium as a catalyst for a diesel engine exhaust gas purification device.
  • SOF Solid Organic Fraction
  • unburned hydrocarbons, etc. contained in particulate matter in diesel engine exhaust gas from a low temperature range.
  • the invention of Patent Document 2 aims at an effect similar to the invention of Patent Document 1 and does not relate to DPF.
  • JP 2006-289175 A Japanese Patent Laid-Open No. 10-033985
  • the present invention can advantageously perform the ash regeneration operation according to the amount of ash deposited on the DPF, suppress the ash accumulation on the DPF, increase the pressure loss over a long period, increase the PM regeneration temperature,
  • An object of the present invention is to provide an exhaust emission control device for an internal combustion engine that can suppress a reduction in fuel consumption.
  • the present invention provides a preferable means for obtaining the amount of ash deposited on the DPF in a configuration in which the ash deposited on the DPF is discharged with a reduced particle size and the DPF is regenerated (hereinafter referred to as “ash regeneration”).
  • ash regeneration a preferable means for obtaining the amount of ash deposited on the DPF in a configuration in which the ash deposited on the DPF is discharged with a reduced particle size and the DPF is regenerated.
  • the accumulated ash can be discharged with a reduced particle size.
  • a DPF that is smaller than the conventional DPF can be used from the beginning of the installation of the DPF. Not only cost reduction, but also energy cost of PM regeneration operation can be reduced.
  • the fact that a small DPF can be used means that the space for mounting the DPF on the vehicle can be reduced, and the weight of the vehicle on which the DPF is mounted can be reduced.
  • the inventor of the present application studied the problem of ash accumulation inside the DPF, analyzed the cause of ash accumulation, and the main components of ash were calcium (Ca) contained in engine oil and SOx in exhaust gas. It was found that ash is ion-bonded, CaSO 4 is the main component, and Ca salt has a high melting point, so that in the exhaust gas, ash flows into the DPF as a solid and aggregates to increase the particle size.
  • Ca calcium
  • the inventors of the present application have confirmed by experiments that the size of ash is on the order of submicrons, and that the ash slips through the DPF when the ash size is reduced to the order of nanomicrons.
  • Ca ions associated with stronger acid than SO 3 on the surface of the DPF is different from the stronger acid than SO 3 on the surface of the DPF, if a stronger acid is present in the atmosphere It was confirmed by an experiment that it binds to a stronger acid in the atmosphere, is released from the DPF, and passes through the DPF to be discharged.
  • the particle size will be submicron.
  • CaSO 4 deposited in the DPF turned into, in a reducing atmosphere becomes CaSO 3 SO 4 is reduced in CaSO 4
  • Ca ions CaSO 3 is bonded with the acid on the surface of the DPF, on the surface of the DPF Disperse in atomic form.
  • SO 4 is present in the atmosphere, the Ca on the surface of the DPF combines with the SO 4 in the atmosphere and becomes sub-nanometer-sized CaSO 4 and is released from the DPF.
  • the exhaust gas atmosphere is a stoichiometric or rich atmosphere, it is the above-described reducing atmosphere, and when it is a lean atmosphere, the lean atmosphere contains SO 4 . Therefore, if control for making the atmosphere stoichiometric or rich and control for making the lean atmosphere next are performed on the above-mentioned DPF, ash Ca ions deposited on the DPF in the stoichiometric or rich atmosphere are converted to DPF. Then, in a lean atmosphere, Ca on the surface of the DPF is combined with SO 4 in the lean atmosphere and released from the DPF, and the fine particle size is reduced to a sub-nanometer size. CaSO 4 is converted to pass through the DPF and discharged.
  • the first CaSO 4 having a large particle size of submicron and deposited on the DPF is finally released again from the DPF as CaSO 4.
  • No. 4 is reduced in size to a sub-nanometer size and passes through the DPF and is discharged.
  • the increase in the pressure loss of the DPF is usually detected and the timing of the ash regeneration operation is determined, but the increase in the pressure loss of the DPF includes the increase in the pressure loss due to PM accumulation. Therefore, in order to know the state of ash deposition, for example, a procedure is required in which the relationship between ash deposition and PM deposition is obtained separately, and the ash deposition is obtained separately based on this relationship. is doing.
  • an ash regeneration operation can be advantageously performed by providing a means for directly knowing the ash accumulation state.
  • an exhaust purification device for an internal combustion engine in which a DPF is disposed in an exhaust system of the internal combustion engine, wherein the DPF is a DPF whose surface is coated with a solid acid,
  • the acid strength is larger than the acid strength of SO 3 and smaller than the acid strength of SO 4.
  • the ash regeneration operation control for removing the ash deposited in the DPF and the amount of ash deposited in the DPF are as follows.
  • An ash accumulation amount acquisition means wherein the control of the ash regeneration operation includes control for increasing the temperature of the DPF, and control of the air-fuel ratio of the atmosphere in the DPF, and the air-fuel ratio of the atmosphere in the DPF This control is to first change the stoichiometric or air-fuel ratio rich atmosphere and then change to the air-fuel ratio lean atmosphere during the control to increase the temperature of the DPF.
  • the exhaust gas purification apparatus is provided for an internal combustion engine.
  • a preferable ash accumulation amount acquisition means for acquiring the accumulation amount of ash accumulated in the DPF, and the relationship between the ash accumulation and the PM accumulation is obtained by the ash accumulation amount acquisition means. Without using it, the amount of ash deposited can be determined directly. Therefore, the ash regeneration operation can be advantageously performed according to the amount of ash deposited on the DPF, and the ash is completely removed, suppressing an increase in pressure loss, an increase in PM regeneration temperature, and a decrease in fuel consumption over a long period of time.
  • An exhaust emission control device for an internal combustion engine is provided.
  • the ash deposition amount acquisition means comprises: a NOx amount detection means for detecting the NOx amount in the exhaust gas flowing out from the DPF; and an ammonia supply means for supplying an ammonia component to the DPF. , Detecting the NOx amount in the exhaust gas flowing out from the DPF, then supplying the ammonia component to the DPF, and further detecting the NOx amount in the exhaust gas flowing out from the DPF after supplying the ammonia component to the DPF, The amount of ash deposited on the DPF is acquired based on a difference between the NOx amount before supplying the ammonia component to the DPF and the NOx amount after supplying the ammonia component.
  • An exhaust emission control device for an internal combustion engine is provided.
  • preferred ash deposition amount acquisition means for acquiring the accumulation amount of ash deposited in the DPF is provided, and the ash deposition amount acquisition means utilizes ammonia to generate an acid point of the solid acid.
  • the acid points that are not bonded to Ca of ash are counted, so that the ash accumulation amount can be directly measured by this ash accumulation amount acquisition means without using the relationship between ash accumulation and PM accumulation. Can be sought.
  • the ash regeneration operation can be advantageously performed according to the amount of ash deposited on the DPF, and the ash is completely removed in the ash regeneration operation, increasing the pressure loss over a long period of time, increasing the PM regeneration temperature, and fuel consumption
  • An exhaust emission control device for an internal combustion engine that can suppress the reduction of the engine is provided.
  • an ash regeneration configuration is provided, and the ash regeneration operation can be advantageously performed according to the amount of accumulated ash, and the ash is completely removed in the ash regeneration operation,
  • an exhaust purification device for an internal combustion engine that can suppress an increase in pressure loss, an increase in PM regeneration temperature, and a decrease in fuel consumption over a long period of time.
  • FIG. 1 is a flowchart illustrating a schematic configuration of an embodiment of control when the present invention is applied to an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining a schematic configuration of an embodiment of apparatus arrangement when the present invention is applied to a DPF.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the principle of control of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the principle of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the principle of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the principle of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the principle of control of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing a basic configuration of the present invention.
  • a solid acid corresponding to an acid strength of SO 3 or more and SO 4 or less is formed on the surface of DPF 2, specifically, on the surface of the DPF substrate of DPF 2.
  • Exhaust gas from the internal combustion engine 1 is guided to the DPF 2, PM in the exhaust gas is collected and removed by the DPF 2, and the exhaust gas from which the PM has been removed is discharged.
  • the outlet of the DPF is provided with NOx amount detection means 50 for detecting the NOx amount in the exhaust discharged from the DPF2. Since the PM collected in the DPF gradually accumulates, PM regeneration operation is performed periodically or by detecting a decrease in the performance of the DPF and burning and removing the PM collected in the DPF.
  • the ash 3 deposited in the DPF is reduced in size, so that the particles reduced in size pass through the filter gap of the DPF and are discharged together with the exhaust gas.
  • the present invention will be described in detail with reference to FIG. 6.
  • the ash particles generated by the engine and covered with the PM are regenerated into the PM within the DPF.
  • Ashes 3 exposed to high temperature conditions during operation are burned and removed from the PM particles covering the ash particles, and heat is further applied to the ash particles from which the PM has been burned and removed to aggregate the ash particles, thereby increasing the particle size.
  • the particles of ash 3 are mainly composed of calcium sulfate (CaSO 4 ).
  • the atmosphere is a reducing atmosphere, for example, a stoichiometric atmosphere or a rich atmosphere in FIG. It is reduced to calcium (CaSO 3 ).
  • Ca dispersed in atomic form on the solid acid 6 sO 4 is stronger acid than the solid acid 6 And is sulfated again to form calcium sulfate (CaSO 4 ), which is released from the solid acid.
  • Calcium sulfate (CaSO 4 ) at this time is a particle having a fine particle size of 1 nanometer or less, and the fine particle size passes through the DPF as an aerosol. The accumulated ash is removed.
  • the acid strength of the solid acid 6 applied on the DPF substrate 5 must be larger than the acid strength of SO 3 and smaller than the acid strength of SO 4 .
  • the acid strength of the solid acid 6 is equal to or lower than the acid strength of SO 3 , Ca in the ash particles reduced to CaSO 3 does not bind to the solid acid 6 and therefore ash 3 does not decompose, and This is because when the solid acid 6 is a super strong acid that is equal to or higher than the acid strength of SO 4 , even if SO 4 exists in the atmosphere, Ca is not released from the solid acid 6.
  • a solid acid corresponding to an acid strength of SO 3 or more and SO 4 or less is applied on the DPF base 5 and the air-fuel ratio of the atmosphere in the DPF is set to the stoichiometric or air-fuel ratio first during the ash regeneration operation.
  • the ash having a large particle size in the DPF becomes ash particles having a fine particle size, passes through the DPF, and is discharged.
  • an increase in the pressure loss of the DPF is detected and the timing of the ash regeneration operation is determined.
  • the increase in the pressure loss of the DPF includes the increase in the pressure loss due to PM deposition. Therefore, in order to know the state of ash deposition, for example, a relationship between ash deposition and PM deposition is separately obtained. Based on this relationship, a procedure such as separately obtaining ash deposits is required.
  • an ash regeneration operation can be advantageously performed by providing a means for directly knowing the ash accumulation state.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining how the ash accumulation state is grasped in the present invention.
  • the acid point of the solid acid 6 has a property of binding to ammonia. Therefore, as shown in FIG. 7 (a), if there is an acid point 62 of the solid acid 6 that is not bonded to Ca, and ammonia is supplied thereto, the ammonia is added to the acid point 62 to which Ca is not bonded. Join. Therefore, if the amount of bound ammonia can be grasped, the ash accumulation state can be grasped, and the case where the ammonia is not bound may be determined as the ash accumulation upper limit.
  • NOx has a property of reacting with ammonia bonded to the acid point 62 and decomposing into nitrogen (N 2 ) and water (H 2 O). That is, as shown in FIG. 7B, 1 mol of NOx reacts with 1 mol of ammonia bonded to the acid sites 62 and decomposes into nitrogen (N 2 ) and water (H 2 O). Therefore, in order to grasp the amount of ammonia bound to the acid point, a change in the amount of NOx flowing out from the DPF before and after supplying ammonia to the DPF is detected, and the amount of NOx reduction is grasped. . If it does in this way, the amount of ammonia couple
  • FIG. 1 is a flowchart in the case where the ash accumulation state is grasped by the above-described means and the ash regeneration operation is controlled.
  • step 100 of FIG. 1 the ash regeneration operation state before, the amount of NOx flowing out from DPF, detected by NOx detection means 50 of FIG. 2, which is referred to as Y 0.
  • step 200 the atmosphere in the DPF is changed to an air-fuel ratio rich atmosphere, and ammonia is simultaneously supplied from the ammonia supply means.
  • step 300 the air-fuel ratio rich operation is terminated, and the NOx detection means 50 starts detecting the NOx amount Y flowing out from the DPF, and starts integrating the detected values.
  • FIG. 3 shows the above control as the detected value of the NOx detecting means.
  • the atmosphere in the DPF is changed to an air-fuel ratio rich atmosphere in Step 200 of FIG. 1, and the time range for supplying ammonia from the ammonia supply means is indicated by H.
  • the acid point recovery amount Ar Nc.
  • step 600 it is determined whether or not the acid point recovery amount Ar has become smaller than the threshold value, that is, whether or not the acid point has become close to saturation due to Ca.
  • the acid point recovery amount Ar becomes smaller than the threshold value, it is determined that the acid point is close to saturation due to Ca, and the process proceeds to step 700 where the environment in the DPF is set to the air-fuel ratio lean and the acid point is set.
  • the bound Ca is released as CaSO 4 having a reduced particle size, and the ash regeneration operation is terminated.
  • Step 800 the environment in the DPF is set as a reducing atmosphere and the temperature of the DPF is increased.
  • the ash is reduced from CaSO 4 having a large particle size to CaSO 3, and the binding reaction of Ca to the acid point is further advanced to complete this control cycle.
  • the ash accumulation amount when the ash accumulation amount is obtained by the ash accumulation amount acquisition means of the present invention and the ash regeneration operation is controlled, the ash accumulation amount can be directly grasped, and the ash accumulation amount is saturated. Thus, the ash regeneration operation can be appropriately performed. As a result, the ash is completely removed, an increase in pressure loss, an increase in the PM regeneration temperature, and a decrease in fuel consumption can be suppressed over a long period of time, and further, ash accumulation can be efficiently suppressed.
  • An exhaust purification device for an internal combustion engine is provided.
  • an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine having a DPF whose performance does not deteriorate indefinitely can be configured, and the present invention can dramatically improve the performance of the DPF over a long period of time.
  • a DPF smaller than the conventional one can be used from the beginning of the installation of the DPF, which not only reduces the manufacturing cost of the DPF but also reduces the energy cost of the PM regeneration operation. be able to.
  • the fact that a small DPF can be used has the effect that the space for mounting the DPF on the vehicle can be reduced, and the weight of the vehicle on which the DPF is mounted can be reduced. It should be noted.

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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、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、によって、ＤＰＦ内に堆積したアッシュを細粒化して除去する、アッシュ再生運転の制御を、アッシュ堆積量取得手段によって取得されたアッシュの堆積量に基づいて行う。

Description

内燃機関の排気浄化装置
　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、ＮＯ２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量に応じてアッシュ再生運転を有利に行うことができ、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）する構成において、ＤＰＦへのアッシュの堆積量の好ましい取得手段を提供し、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、ＣａＳＯ４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ＣａＳＯ４を、還元雰囲気におくと、ＣａＳＯ４のＳＯ４が還元されてＳＯ３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ＳＯ３よりも強い酸が存在すると、ＣａＳＯ３のＣａとＳＯ３との結合が切断され、ＣａイオンがＤＰＦの表面上のＳＯ３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ＳＯ３よりも強い酸と結合したＣａイオンは、ＤＰＦの表面上のＳＯ３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ＳＯ３よりも強い酸として、この酸の酸強度を、ＳＯ３よりも強くＳＯ４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ＣａＳＯ４は、還元雰囲気において、ＣａＳＯ４のＳＯ４が還元されてＣａＳＯ３となり、ＣａＳＯ３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ＳＯ４を存在させれば、ＤＰＦの表面上のＣａは、雰囲気中のＳＯ４と結合して、サブナノメートルの大きさのＣａＳＯ４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ＳＯ４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ＳＯ４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ＣａＳＯ４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ＣａＳＯ４が、最終的に、再びＣａＳＯ４となってＤＰＦから放出されるが、放出されるＣａＳＯ４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、ＤＰＦの圧損の上昇を検出して、アッシュ再生運転のタイミングを決定するが、ＤＰＦの圧損の上昇には、ＰＭの堆積による圧損の上昇も含まれているので、アッシュの堆積状態を知るためには、例えば、アッシュの堆積とＰＭの堆積との関係を別途求め、この関係に基づいてアッシュの堆積を分離して求める、等の手順を要している。
　そこで、アッシュの堆積状態を直接知る手段を備えると、アッシュ再生運転を有利に行うことができる。
　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、ＳＯ３の酸強度よりも大きくＳＯ４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と、ＤＰＦ内に堆積したアッシュの堆積量を取得する、アッシュ堆積量取得手段と、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、アッシュ堆積量取得手段によって取得されたアッシュの堆積量に基づいて、アッシュ再生運転の制御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、ＤＰＦ内に堆積したアッシュの堆積量を取得する、好ましいアッシュ堆積量取得手段を備え、このアッシュ堆積量取得手段によって、アッシュの堆積とＰＭの堆積との関係を利用することなく、アッシュの堆積量を直接求めることができる。したがって、ＤＰＦへのアッシュの堆積量に応じてアッシュ再生運転を有利に行うことができ、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２に記載の発明によれば、ＤＰＦから流出する排気中のＮＯｘ量を検出するＮＯｘ量検出手段と、ＤＰＦへアンモニア成分を供給するアンモニア供給手段と、を備え、アッシュ堆積量取得手段が、ＤＰＦから流出する排気中のＮＯｘ量を検出し、次に、ＤＰＦへアンモニア成分を供給し、更に、ＤＰＦへアンモニア成分を供給した後の、ＤＰＦから流出する排気中のＮＯｘ量を検出し、ＤＰＦへアンモニア成分を供給する前のＮＯｘ量とアンモニア成分を供給した後のＮＯｘ量との差に基づいて、ＤＰＦへのアッシュの堆積量を取得することを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
　すなわち、請求項２の発明では、ＤＰＦ内に堆積したアッシュの堆積量を取得する、好ましいアッシュ堆積量取得手段を備え、このアッシュ堆積量取得手段が、アンモニアを利用して、固体酸の酸点のうち、アッシュのＣａと結合していない酸点を数えるものであるので、このアッシュ堆積量取得手段によって、アッシュの堆積とＰＭの堆積との関係を利用することなく、アッシュの堆積量を直接求めることができる。したがって、ＤＰＦへのアッシュの堆積量に応じてアッシュ再生運転を有利に行うことができ、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が提供される。
　各請求項に記載の発明によれば、アッシュ再生の構成が提供され、また、アッシュの堆積量に応じてアッシュ再生運転を有利に行うことができ、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、共通の効果を奏する。
　図１は、本発明を内燃機関の排気浄化装置に適用した場合の、制御の実施形態の概略構成を説明するフローチャートである。
　図２は、本発明をＤＰＦに適用した場合の、装置配置の実施形態の概略構成を説明する図である。
　図３は、本発明の制御の原理を説明する図である。
　図４は、本発明の原理を説明する図である。
　図５は、本発明の原理を説明する図である。
　図６は、本発明の原理を説明する図である。
　図７は、本発明の制御の原理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、本発明の基本構成を示す図であり、ＤＰＦ２の表面上に、詳細にはＤＰＦ２のＤＰＦ基材の表面上に、酸強度がＳＯ３以上でＳＯ４以下に相当する固体酸を塗布する。内燃機関１の排気がＤＰＦ２に導かれ、排気中のＰＭはＤＰＦ２によって捕集、除去され、ＰＭの除去された排気が排出される。ＤＰＦの出口には、ＤＰＦ２から排出される排気中のＮＯｘ量を検出するための、ＮＯｘ量検出手段５０を備える。ＤＰＦ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ＰＭ再生運転を行う。
　しかし、ＰＭ再生運転を繰り返し行っていると、図４に示すように、ＤＰＦ内にアッシュ３が堆積し、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。
　本発明では、図５に示すように、ＤＰＦ内に堆積したアッシュ３を細粒径化するので、細粒径化された粒子が、ＤＰＦのフィルタ隙間を通り抜け、排気とともに排出される。
　本発明を、図６によって詳しく説明すると、まず、図６（ａ）に示すように、ＤＰＦを使用し続けた場合、エンジンで生成しＰＭに覆われているアッシュ粒子が、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、ＰＭが燃焼除去されたアッシュ粒子に、更に熱が加わってアッシュ粒子が凝集し、大粒径化したアッシュ３として堆積する。このときアッシュ３の粒子は、硫酸カルシウム（ＣａＳＯ４）が主成分であるが、図６（ａ）において雰囲気が還元雰囲気、例えばストイキ雰囲気又はリッチ雰囲気の場合には、アッシュ３の粒子は、亜硫酸カルシウム（ＣａＳＯ３）に還元される。したがって、ＤＰＦ基材５の上にＳＯ３以上の酸強度の固体酸６が存在する場合には、図６（ｂ）に示すように、アッシュ粒子中のカルシウム（Ｃａ）が、ＳＯ３より強い酸である固体酸６と結合し、アッシュ３は分解する。このときＣａは、固体酸６上に原子状に分散する。次に、固体酸６上に原子状に分散したＣａが、ＳＯ４を含んだ雰囲気に晒されると、例えば、内燃機関からの排気中には、通常ＳＯｘが含まれており、リーン雰囲気の中ではＳＯ４が多く含まれるため、リーン雰囲気に晒されると、図６（ｃ）に示すように、固体酸６上に原子状に分散したＣａが、固体酸６よりも強い酸であるＳＯ４と結合して再度硫酸塩化し、硫酸カルシウム（ＣａＳＯ４）となり、固体酸上から放出される。このときの硫酸カルシウム（ＣａＳＯ４）は、大きさが１ナノメートル以下の細粒径の粒子となっており、この細粒径化粒子は、エアロゾルとなってＤＰＦをすり抜け、その結果、ＤＰＦに堆積したアッシュが除去される。
　この場合、ＤＰＦ基材５の上に塗布する固体酸６の酸強度は、ＳＯ３の酸強度よりも大きく、ＳＯ４の酸強度よりも小さくなければならない。固体酸６の酸強度が、ＳＯ３の酸強度以下の場合には、ＣａＳＯ３に還元されたアッシュ粒子中のＣａが、固体酸６と結合せず、したがってアッシュ３は分解せず、また、固体酸６がＳＯ４の酸強度以上の超強酸である場合には、雰囲気中にＳＯ４が存在しても、Ｃａが固体酸６から放出されないからである。
　したがって、ＤＰＦ基材５の上に、酸強度がＳＯ３以上、ＳＯ４以下に相当する固体酸を塗布し、アッシュ再生運転中に、ＤＰＦ内の雰囲気の空燃比を、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ように制御すると、ＤＰＦ内の大粒径化したアッシュが、細粒径化したアッシュ粒子となってＤＰＦをすり抜け、排出される。
　ところで、以上のようなアッシュ再生運転を行う場合、アッシュの堆積状態を把握することが必要である。
　アッシュの堆積状態を把握するために、通常は、ＤＰＦの圧損の上昇を検出して、アッシュ再生運転のタイミングを決定する。しかし、ＤＰＦの圧損の上昇には、ＰＭの堆積による圧損の上昇も含まれているので、アッシュの堆積状態を知るためには、例えば、アッシュの堆積とＰＭの堆積との関係を別途求め、この関係に基づいてアッシュの堆積を分離して求める、等の手順を必要とする。
　そこで、アッシュの堆積状態を直接知る手段を備えると、アッシュ再生運転を有利に行うことができる。
　図７は、本発明において、どのようにしてアッシュの堆積状態を把握するかを説明する図である。
　固体酸６の酸点は、アンモニアと結合する性質がある。そこで、図７（ａ）に示すように、もし固体酸６の酸点６２にＣａと結合していないものがあり、そこにアンモニアを供給すると、Ｃａが結合していない酸点６２にアンモニアが結合する。そこで、結合したアンモニアの量を把握することができれば、アッシュの堆積状態を把握することができ、アンモニアが結合しなくなった場合をアッシュの堆積上限と判断すればよい。
　一方、ＮＯｘは、酸点６２に結合したアンモニアと反応して、窒素（Ｎ２）と水（Ｈ２Ｏ）とに分解する性質がある。すなわち、図７（ｂ）に示すように、酸点６２に結合したアンモニア１モルに対し、ＮＯｘ１モルが反応し、窒素（Ｎ２）と水（Ｈ２Ｏ）とに分解する。そこで、酸点に結合したアンモニアの量を把握するために、ＤＰＦにアンモニアを供給する前とアンモニアを供給した後の、ＤＰＦから流出するＮＯｘ量の変化を検出し、ＮＯｘの減少量を把握する。このようにすると、ＮＯｘの減少量から、酸点に結合したアンモニアの量が把握でき、アッシュの堆積状態が把握できる。
　したがって、ＤＰＦの出口におけるＮＯｘの減少量がゼロとなった場合が、酸点６２がＣａで飽和した状態であり、ＮＯｘの減少量がゼロに近くなった場合を、アッシュ堆積の上限と判断して、アッシュ再生制御を行うと、アッシュが完全に除去され、いつまでも性能が低下しないＤＰＦを備えた内燃機関の排気浄化装置を構成することができる。
　図１は、上述の手段によってアッシュの堆積状態を把握し、アッシュ再生運転の制御を行う場合の、フローチャートである。
　まず、図１のステップ１００で、アッシュ再生運転前の状態において、ＤＰＦから流出するＮＯｘ量を、図２のＮＯｘ検出手段５０で検出し、これをＹ０とする。次に、ステップ２００で、ＤＰＦ内の雰囲気を、空燃比リッチ雰囲気とし、同時にアンモニア供給手段からアンモニアを供給する。更に、ステップ３００に進み、空燃比リッチ運転を終了し、ＮＯｘ検出手段５０で、ＤＰＦから流出するＮＯｘ量Ｙの検出を開始し、検出値の積算を開始する。次に、ステップ４００に進み、Ｙ＝Ｙ０となるまでＮＯｘの検出と積算を継続する。Ｙ＝Ｙ０となったら、ステップ５００に進み、Ｙ＝Ｙ０となるまでＤＰＦに蓄積されたＮＯｘの総量を、酸点回復量Ａｒとする。
　以上の制御を、ＮＯｘ検出手段の検出値として示したものが、図３である。図３では、図１のステップ２００で、ＤＰＦ内の雰囲気を、空燃比リッチ雰囲気とし、同時にアンモニア供給手段からアンモニアを供給する時間の範囲を、Ｈで示しており、図１のステップ３００で空燃比リッチ運転を終了し、ＮＯｘ検出手段５０で、ＤＰＦを通過するＮＯｘ量Ｙを検出し、ＮＯｘ量の積算を開始する時間を、Ｔ０で示している。また、ステップ４００でＹ＝Ｙ０となったときの時間を、Ｔ１で示し、Ｙ＝Ｙ０となるまでに積算されたＮＯｘの総量すなわちＤＰＦに蓄積されたＮＯｘの総量を、Ｎｃで示している。すなわち、Ｙ＝Ｙ０となるまでＤＰＦに蓄積されたＮＯｘの総量Ｎｃは、（Ｙ０−Ｙ）を、時間Ｔ０からＴ１まで積分したものとなる。酸点回復量Ａｒ＝Ｎｃである。
　図１に戻り、更に、ステップ６００に進み、酸点回復量Ａｒが、閾値よりも小さくなったかどうか、すなわち、酸点がＣａによって飽和状態に近くなったかどうかを判定する。酸点回復量Ａｒが、閾値よりも小さくなった場合には、酸点がＣａによって飽和状態に近くなったと判定し、ステップ７００へ進み、ＤＰＦ内の環境を、空燃比リーンとし、酸点に結合したＣａを、細粒径化したＣａＳＯ４として放出し、アッシュ再生運転を終了する。酸点回復量Ａｒが、閾値よりも小さくない場合には、酸点がまだＣａによって飽和状態になっていないので、ステップ８００へ進み、ＤＰＦ内の環境を、還元雰囲気とし、ＤＰＦの温度を上昇させ、アッシュを、大粒径のＣａＳＯ４からＣａＳＯ３に還元し、Ｃａの酸点への結合反応を更に進めて、この制御サイクルを終了する。
　以上のように、本発明のアッシュ堆積量取得手段によってアッシュの堆積量を把握し、アッシュ再生運転の制御を行うと、アッシュの堆積量を直接把握することができ、アッシュの堆積量が飽和状態になったときに、適切にアッシュ再生運転を行うことができる。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、更に、アッシュの堆積の抑制を効率的に行うことができる、内燃機関の排気浄化装置が提供される。
　したがって、本発明により、いつまでも性能が低下しないＤＰＦを備えた内燃機関の排気浄化装置を構成することができ、本発明は、ＤＰＦの性能を、長期間にわたって飛躍的に向上させることができるという、有利な効果を奏する。更に、この効果に付随する更なる効果として、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も低減することができる。更に、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効果があることにも注目すべきである。
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
４０　ＤＯＣ
５０　ＮＯｘ検出手段
６１　担体
６２　固体酸点

Claims (2)

  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、ＳＯ３の酸強度よりも大きくＳＯ４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と、
    　前記ＤＰＦ内に堆積したアッシュの堆積量を取得する、アッシュ堆積量取得手段と、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、
    　前記アッシュ堆積量取得手段によって取得されたアッシュの堆積量に基づいて、前記アッシュ再生運転の制御を行うことを特徴とする、
    　内燃機関の排気浄化装置。
  2. 　前記ＤＰＦから流出する排気中のＮＯｘ量を検出するＮＯｘ量検出手段と、
    　前記ＤＰＦへアンモニア成分を供給するアンモニア供給手段と、を備え、
    　前記アッシュ堆積量取得手段が、
    　前記ＤＰＦから流出する排気中のＮＯｘ量を検出し、
    　次に、前記ＤＰＦへアンモニア成分を供給し、
    　更に、前記ＤＰＦへアンモニア成分を供給した後の、前記ＤＰＦから流出する排気中のＮＯｘ量を検出し、
    　前記ＤＰＦへアンモニア成分を供給する前のＮＯｘ量とアンモニア成分を供給した後のＮＯｘ量との差に基づいて、前記ＤＰＦへのアッシュの堆積量を取得することを特徴とする、
    　請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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