(57)【要約】【課題】パティキュレートフィルタ内でのアッシュとサルフェートとの化合結晶化を阻止してアッシュ溜りを防止する。【解決手段】ディーゼルエンジン１（内燃機関）からの排気ガス８が流通する排気管９途中に装備され且つ酸化触媒を一体的に担持したパティキュレートフィルタ１０のアッシュ溜り防止方法に関し、ディーゼルエンジン１の機関回転数を検出して積算し、その積算値がアッシュの総発生量の警戒水準への到達を推定させる設定値に達した時に、フィルタ１０より上流で排気ガス８中へＨＣを添加し、該ＨＣをフィルタ１０の酸化触媒上で酸化反応させ、その反応熱によりフィルタ１０の少なくとも後方部分の触媒床温度を所定温度以上に上げ、フィルタ１０の後方部分に滞留しているサルフェートをガス化して脱離させる。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関からの排気ガスが流通する排気管途中に装備され且つ酸化触媒を一体的に担持したパティキュレートフィルタのアッシュ溜り防止方法であって、内燃機関の機関回転数を検出して積算し、その積算値がアッシュの総発生量の警戒水準への到達を推定させる設定値に達した時に、パティキュレートフィルタより上流で排気ガス中へＨＣを添加し、該ＨＣをパティキュレートフィルタの酸化触媒上で酸化反応させ、その反応熱によりパティキュレートフィルタの少なくとも後方部分の触媒床温度を所定温度以上に上げ、パティキュレートフィルタの後方部分に滞留しているサルフェートをガス化して脱離させることを特徴とするパティキュレートフィルタのアッシュ溜り防止方法。
【請求項２】
気筒内への燃料噴射を制御して排気ガス中に未燃燃料分を多く残すことによりＨＣ添加を行うことを特徴とする請求項１に記載のパティキュレートフィルタのアッシュ溜り防止方法。
【請求項３】
パティキュレートフィルタより上流の排気流路で排気ガス中に燃料及びオイルの少なくとも一方を直噴することによりＨＣ添加を行うことを特徴とする請求項１に記載のパティキュレートフィルタのアッシュ溜り防止方法。
【請求項４】
排気流路の適宜箇所を絞り込むことにより排気温度を上昇させることを特徴とする請求項１、２又は３に記載のパティキュレートフィルタのアッシュ溜り防止方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パティキュレートフィルタのアッシュ溜り防止方法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パティキュレート（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ　Ｍａｔｔｅｒ：粒子状物質）は、炭素質から成る煤と、高沸点炭化水素成分から成るＳＯＦ分（Ｓｏｌｕｂｌｅ　Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｆｒａｃｔｉｏｎ：可溶性有機成分）とを主成分とし、更に微量のサルフェート（ミスト状硫酸成分）を含んだ組成を成すものであるが、この種のパティキュレートの低減対策としては、排気ガスが流通する排気管の途中に、パティキュレートフィルタを装備することが従来より行われている。
【０００３】
この種のパティキュレートフィルタは、コージェライト等のセラミックから成る多孔質のハニカム構造となっており、格子状に区画された各流路の入口が交互に目封じされ、入口が目封じされていない流路については、その出口が目封じされるようになっており、各流路を区画する多孔質薄壁を透過した排気ガスのみが下流側へ排出されるようにしてある。
【０００４】
そして、排気ガス中のパティキュレートは、前記多孔質薄壁の内側表面に捕集されて堆積するので、目詰まりにより排気抵抗が増加しないうちにパティキュレートを適宜に燃焼除去してパティキュレートフィルタの再生を図る必要があるが、通常のディーゼルエンジンの運転状態においては、パティキュレートが自己燃焼するほどの高い排気温度が得られる機会が少ないため、例えばアルミナに白金を担持させたものに適宜な量のセリウム等の希土類元素を添加して成る酸化触媒を一体的に担持させた触媒再生型のパティキュレートフィルタの実用化が進められている。
【０００５】
即ち、このような触媒再生型のパティキュレートフィルタを採用すれば、捕集されたパティキュレートの酸化反応が促進されて着火温度が低下し、従来より低い排気温度でもパティキュレートを燃焼除去することが可能となるのである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ディーゼルエンジンの排気ガス中には、燃料中の硫黄分に由来するＳＯ２が存在するため、このＳＯ２がパティキュレートフィルタの酸化触媒上で空気酸化して液状のサルフェート（ＳＯ４，ＳＯ３，Ｈ２ＳＯ４）が生成されてしまうという不具合があり、この液状のサルフェートのパティキュレートフィルタ内での滞留を放置してしまうと、潤滑油中の添加剤を起源として気筒内燃焼で発生するアッシュ（主成分ＣａＯ）がパティキュレートフィルタ内で前記サルフェートと化合結晶化（ＣａＳＯ４）し、本来であればパティキュレートフィルタを通過可能なアッシュの粉（外径が数十ｎｍ程度）が、アッシュの粒（外径が数μｍ程度）にまで成長してパティキュレートフィルタを通過できなくなり、このアッシュの粒により流路内の触媒表面が被覆されてしまうことで、パティキュレートと酸化触媒との接触が阻害されて性能低下を招く虞れがあった。
【０００７】
本発明は、上述の実情に鑑みてなされたものであり、パティキュレートフィルタ内でのアッシュとサルフェートとの化合結晶化を阻止してアッシュ溜りを防止することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、内燃機関からの排気ガスが流通する排気管途中に装備され且つ酸化触媒を一体的に担持したパティキュレートフィルタのアッシュ溜り防止方法であって、内燃機関の機関回転数を検出して積算し、その積算値がアッシュの総発生量の警戒水準への到達を推定させる設定値に達した時に、パティキュレートフィルタより上流で排気ガス中へＨＣを添加し、該ＨＣをパティキュレートフィルタの酸化触媒上で酸化反応させ、その反応熱によりパティキュレートフィルタの少なくとも後方部分の触媒床温度を所定温度以上に上げ、パティキュレートフィルタの後方部分に滞留しているサルフェートをガス化して脱離させることを特徴とするものである。
【０００９】
而して、このようにすれば、内燃機関の機関回転数の積算値を目安として、この積算値が所定の設定値に達した時にパティキュレートフィルタ内のサルフェートの脱離が必要と判断し、パティキュレートフィルタより上流で排気ガス中にＨＣを添加するようにしているので、該ＨＣがパティキュレートフィルタの酸化触媒上で酸化反応して反応熱を生じ、この反応熱によりパティキュレートフィルタの後方部分の触媒床温度が所定温度以上に上昇し、ここに滞留しているサルフェートがガス化して脱離することになり、パティキュレートフィルタ内でのアッシュとサルフェートとの化合結晶化が阻止される結果、既にアッシュの粒に成長しているものからもサルフェートがガス化して脱離することにより粒が細かく崩れて粉に戻り、そのアッシュの粉が排気ガスの流れによりパティキュレートフィルタから掃気されることになる。
【００１０】
即ち、排気ガス中のアッシュは、潤滑油中の添加剤を起源として発生しているので、その発生量は潤滑油の消費量と比例関係となっているが、潤滑油の消費量を直接検出することが困難であることから、この潤滑油の消費量と比例関係にある内燃機関の機関回転数の積算値を目安としてアッシュの総発生量が警戒水準へ到達したことを推定しているのである。
【００１１】
また、本発明者らが得た知見によれば、パティキュレートフィルタの酸化触媒上で生成される液体状態のサルフェートは、排気ガスの流れによりパティキュレートフィルタの後方部分に偏って滞留しているので、パティキュレートフィルタの後方部分の触媒床温度さえ所定温度以上に上昇できればサルフェートの大半が脱離できるものと考えられる。
【００１２】
ただし、パティキュレートフィルタの前方部分にサルフェートが全く滞留していないとまでは言いきれないので、パティキュレートフィルタの前方部分についてもサルフェートの脱離温度まで上げることがより好ましいと言えるが、排気ガス中に添加した燃料がパティキュレートフィルタの酸化触媒上で酸化反応するに際しては、パティキュレートフィルタの後方部分に向かうにつれて酸化触媒との接触機会が増えて添加ＨＣの酸化反応が活発化することから、パティキュレートフィルタの後方部分の方が前方部分より先行して昇温することになるので、少なくともパティキュレートフィルタの後方部分の触媒床温度を所定温度以上に上昇させるのに必要なＨＣの添加を行えば、ＨＣの添加量を必要最低限に抑制しながらサルフェートの大半を脱離できて、ＨＣ添加のコストを抑えることが可能となるのである。
【００１３】
また、本発明においては、パティキュレートフィルタより上流で排気ガス中に燃料を添加するに際し、気筒内への燃料噴射を制御して排気ガス中に未燃燃料分を多く残すことによりＨＣ添加を行うようにしたり、パティキュレートフィルタより上流の排気流路で排気ガス中に燃料及びオイルの少なくとも一方を直噴することによりＨＣ添加を行うようにしたりすることが可能である。
【００１４】
尚、排気ガス中に添加したＨＣがパティキュレートフィルタの酸化触媒上で酸化反応することができないほど排気温度が極めて低い運転領域で運転が行われているような場合等には、排気流路の適宜箇所を絞り込むことにより排気ガスの昇温化を図るような手法を併用すれば良い。
【００１５】
即ち、排気流路の適宜箇所を絞り込むと、これより上流側の排気ガスが昇圧されることで排気温度が上昇され、しかも、排気抵抗が高まることにより気筒内に比較的温度の低い吸気が流入し難くなって比較的温度の高い排気ガスの残留量が増加し、この比較的温度の高い排気ガスを多く含む気筒内の空気が更に圧縮行程で圧縮されて爆発行程を迎えることでも更なる排気温度の上昇が図られることになる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
【００１７】
図１〜図７は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図１中における符号の１はターボチャージャ２を搭載したディーゼルエンジン（内燃機関）を示しており、エアクリーナ３から導いた吸気４を吸気管５を通し前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａへ導いて加圧し、その加圧された吸気４をインタークーラ６を介しディーゼルエンジン１の各気筒に分配して導入するようにしてある。
【００１８】
また、このディーゼルエンジン１の各気筒から排気マニホールド７を介し排出された排気ガス８を排気管９を通して前記ターボチャージャ２のタービン２ｂへ送り、該タービン２ｂを駆動した排気ガス８を触媒再生型のパティキュレートフィルタ１０を通してパティキュレートを捕集した上で車外へ排出するようにしてある。
【００１９】
ここで、パティキュレートフィルタ１０の具体的な構造は図２に示す通りであり、このパティキュレートフィルタ１０は、セラミックから成る多孔質のハニカム構造となっており、格子状に区画された各流路１１の入口が交互に目封じされ、入口が目封じされていない流路１１については、その出口が目封じされるようになっており、各流路１１を区画する多孔質薄壁１２を透過した排気ガス８のみが下流側へ排出されるようにしてある。
【００２０】
そして、本形態例においては、パティキュレートフィルタ１０の出側に、排気ガス８の温度を計測するための温度センサ１３が装備され、この温度センサ１３の検出信号１３ａがエンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｕｎｉｔ）を成す制御装置１４に対し入力されるようになっており、他方、この制御装置１４においては、ディーゼルエンジン１の各気筒に燃料を噴射する燃料噴射装置１５に向け燃料の噴射タイミング及び噴射量を指令する燃料噴射信号１５ａが出力されるようになっている。
【００２１】
ここで、前記燃料噴射装置１５は、各気筒毎に装備される図示しない複数のインジェクタにより構成されており、これら各インジェクタの電磁弁が前記燃料噴射信号１５ａにより開弁制御されて燃料の噴射タイミング及び噴射量（開弁時間）が適切に制御されるようになっている。
【００２２】
更に、図示しない運転席のアクセルには、アクセル開度をディーゼルエンジン１の負荷として検出するアクセルセンサ１６（負荷センサ）が備えられていると共に、ディーゼルエンジン１の適宜位置には、その機関回転数を検出する回転センサ１７が装備されており、これらアクセルセンサ１６及び回転センサ１７からのアクセル開度信号１６ａ及び回転数信号１７ａも前記制御装置１４に入力されるようになっている。
【００２３】
そして、前記制御装置１４では、アクセル開度信号１６ａ及び回転数信号１７ａに基づき通常モードの燃料噴射信号１５ａが決定されるようになっている一方、回転数信号１７ａに基づいて求めた機関回転数の積算値（１分間当たりの回転数を分単位で積算した値）が所定の設定値に達した時に、温度センサ１３の検出信号１３ａに基づき通常モードから脱硫モードに切り替わり、この脱硫モードに切り替わった際には、通常モードにて圧縮上死点（クランク角０゜）付近で行われていた燃料噴射の時期を遅らせるような噴射パターンの燃料噴射信号１５ａが決定されるようになっている。
【００２４】
つまり、このように燃料噴射の時期が遅らされると、気筒内から燃焼途中の排気ガス８が排気される結果、未燃燃料分（ＨＣ：炭化水素）が多く残った排気ガス８が生成されることになって、実質的に排気ガス８へのＨＣ添加が行われることになるのであり、しかも、燃料が出力に転換され難いタイミングで燃焼することによりディーゼルエンジン１の熱効率が下がり、燃料の発熱量のうちの動力に利用されない熱量が増えて排気温度が上昇することにもなる。
【００２５】
ここで、前述した制御装置１４の通常モードから脱硫モードへの切り替わりについて補足説明しておくと、本形態例においては、機関回転数の積算値が所定の設定値に達した段階でパティキュレートフィルタ１０内のサルフェートの脱離が必要と判断され、この時に温度センサ１３の検出信号１３ａに基づきパティキュレートフィルタ１０の出側の排気温度が約５５０℃に達していないことを確認した上で通常モードから脱硫モードへの切り替わりが実行されるようになっている。
【００２６】
また、パティキュレートフィルタ１０より上流側の適宜位置には、排気管９の流路を適宜な開度に絞り込む開度調整可能な排気ブレーキ１８が装備されており、該排気ブレーキ１８は、制御装置１４からの開度指令信号１８ａにより開度制御されるようになっているが、本形態例においては、制御装置１４にて脱硫モードが選択された際に、温度センサ１３により検出される排気温度が、パティキュレートフィルタ１０の酸化触媒上でＨＣが酸化反応することができないほど低い場合に限り、排気ブレーキ１８に対し本来の作動から独立した別の作動を指令し、後述する如き排気温度を上げるための排気絞り手段として排気ブレーキ１８を活用できるようにしてある。
【００２７】
而して、制御装置１４で回転数信号１７ａに基づき機関回転数の積算値が所定の設定値に達したことが確認された段階で、温度センサ１３の検出信号１３ａに基づきパティキュレートフィルタ１０の出側の排気温度が約５５０℃に達していないことが確認されると、制御装置１４による燃料噴射制御が通常モードから脱硫モードへと切り替わり、燃料噴射の時期が通常より遅らされて未燃燃料分（ＨＣ）の多い高温の排気ガス８が生成され、この排気ガス８中に多く含まれたＨＣがパティキュレートフィルタ１０の酸化触媒上で酸化反応して反応熱を生じ、この反応熱によりパティキュレートフィルタ１０の後方部分の触媒床温度が所定温度以上に上昇し、ここに滞留しているサルフェートがガス化して脱離することになる。
【００２８】
そして、このサルフェートの脱離によりパティキュレートフィルタ１０内でのアッシュとサルフェートとの化合結晶化が阻止される結果、既にアッシュの粒に成長しているものからもサルフェートがガス化して脱離することにより粒が細かく崩れて粉に戻り、そのアッシュの粉が排気ガス８の流れによりパティキュレートフィルタ１０から掃気されることになる。
【００２９】
即ち、排気ガス８中のアッシュは、潤滑油中の添加剤を起源として発生しているので、その発生量は潤滑油の消費量と比例関係となっているが、潤滑油の消費量を直接検出することが困難であることから、この潤滑油の消費量と比例関係にあるディーゼルエンジン１の機関回転数の積算値を目安としてアッシュの総発生量が警戒水準へ到達したことを推定しているのである。
【００３０】
そして、本形態例においては、例えば、図３にグラフで示す如く、パティキュレートフィルタ１０の入口温度がサルフェートの脱離温度である約５５０℃を下まわるものであったとしても、その途中のＡ位置から出口までの温度が約５５０℃以上になっているものと推測できるパティキュレートフィルタ１０出側の排気温度が温度センサ１３で検出された時点で、それ以上のＨＣ添加を継続しないように制御装置１４が通常モードに復帰するようになっている。
【００３１】
即ち、本発明者らが得た知見によれば、パティキュレートフィルタ１０の酸化触媒上で生成される液体状態のサルフェートは、排気ガス８の流れによりパティキュレートフィルタ１０の後方部分（主に図２中における出口側が目封じされた各流路１１の最深部分に近い側）に偏って滞留し、その溜り量はパティキュレートフィルタ１０の前後方向に対し図４にグラフで示す如き傾向となっているので、先の図３のようにＨＣ添加によりＡ位置から出口までの温度が約５５０℃を超える温度となりさえすれば、図５にグラフで示す如く、Ａ位置以降の大半のサルフェートがＳＯ２ガスとなって脱離されることになる。
【００３２】
ここで、図６にグラフで示す如く、パティキュレートフィルタ１０の全体がサルフェートの脱離温度まで上がるようにＨＣ添加を継続すれば、パティキュレートフィルタ１０の全体が約５５０℃以上となって、図７にグラフで示す如く、Ａ位置より前方のサルフェートを含む全てのサルフェートが完全に脱離されることになるが、排気ガス８中に添加した燃料がパティキュレートフィルタ１０の酸化触媒上で酸化反応するに際しては、パティキュレートフィルタ１０の後方部分に向かうにつれて酸化触媒との接触機会が増えて添加ＨＣの酸化反応が活発化することから、パティキュレートフィルタ１０の後方部分の方が前方部分より先行して昇温することになるので、少なくともパティキュレートフィルタ１０の後方部分の触媒床温度を所定温度以上に上昇させるのに必要なＨＣの添加を行えば、ＨＣの添加量を必要最低限に抑制しながらサルフェートの大半を脱離できて、ＨＣ添加のコストを抑えることが可能となる。
【００３３】
また、排気ガス８中のＨＣがパティキュレートフィルタ１０の酸化触媒上で酸化反応することができないほど排気温度が極めて低い運転領域で運転が行われているような場合には、排気ブレーキ１８が制御装置１４からの開度指令信号１８ａにより絞り込まれ、これにより排気ガス８の昇温化が図られることになる。
【００３４】
即ち、排気ブレーキ１８により排気管９内の流路を絞り込むと、これより上流側の排気ガス８が昇圧されることで排気温度が上昇され、しかも、排気抵抗が高まることにより気筒内に比較的温度の低い吸気が流入し難くなって比較的温度の高い排気ガス８の残留量が増加し、この比較的温度の高い排気ガス８を多く含む気筒内の空気が更に圧縮行程で圧縮されて爆発行程を迎えることでも更なる排気温度の上昇が図られることになる。
【００３５】
従って、上記形態例によれば、パティキュレートフィルタ１０からサルフェートを適宜にガス化して脱離させることができるので、パティキュレートフィルタ１０内でのアッシュとサルフェートとの化合結晶化を阻止することができ、既にアッシュの粒に成長しているものについてもサルフェートの脱離により細かく崩して粉に戻すことができるので、そのアッシュの粉を排気ガスの流れによりパティキュレートフィルタ１０から掃気させて除去することができ、アッシュの粒により流路内の触媒表面が被覆されて性能低下を招くようなアッシュ溜りの発生を未然に防止することができる。
【００３６】
更に、排気ガス８中のＨＣがパティキュレートフィルタ１０の酸化触媒上で酸化反応することができないほど排気温度が極めて低い運転領域で運転が行われているような場合であっても、排気ブレーキ１８により排気管９の流路を絞り込むことにより排気温度を上げて酸化触媒におけるＨＣの酸化反応を可能ならしめることができる。
【００３７】
ただし、本形態例では、排気温度が極めて低い運転領域で運転が行われている場合に限り排気ブレーキ１８を絞り込むようにしているが、制御装置１４で脱硫モードが選択された場合に常に排気ブレーキ１８を絞り込んで排気ガス８の昇温化を図るようにしても良く、このようにすれば、ＨＣの添加量を必要最低限に抑制しつつ先の図６にグラフで示す如きパティキュレートフィルタ１０の全体を約５５０℃以上としてサルフェートの完全脱離を実現することもできる。
【００３８】
尚、本形態例においては、気筒内への燃料噴射の時期を通常より遅らせることで未燃燃料分（ＨＣ）の多い高温の排気ガス８を生成し、これにより排気ガス８中へのＨＣの添加を行うようにしているが、燃料のメイン噴射の前後（少なくとも何れか）で燃料を噴射し、この燃料を気筒内の壁面に付着させることでガス化し難くして排気ガス８中に未燃燃料分を多く残すようにしても良く、更には、このように気筒内への燃料噴射を制御して排気ガス８中に未燃燃料分を多く残すことにより燃料添加を行う方法だけでなく、図１中に二点鎖線で示す如く、排気管９の適宜位置（排気マニホールド７でも可）にインジェクタ１９を貫通装着し、このインジェクタ１９により排気ガス８中に燃料及びオイルの少なくとも一方を直噴してＨＣ添加を行うようにしても良い。
【００３９】
また、本発明のパティキュレートフィルタのアッシュ溜り防止方法は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、排気流路の適宜箇所を絞り込むにあたっては、必ずしも排気ブレーキを用いる必要はなく、排気管の途中に排気絞り弁を別途配設するようにしても良いこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００４０】
【発明の効果】
上記した本発明のパティキュレートフィルタのアッシュ溜り防止方法によれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。
【００４１】
（Ｉ）本発明の請求項１、２、３に記載の発明によれば、パティキュレートフィルタからサルフェートを適宜にガス化して脱離させることができるので、パティキュレートフィルタ内でのアッシュとサルフェートとの化合結晶化を阻止することができ、既にアッシュの粒に成長しているものについてもサルフェートの脱離により細かく崩して粉に戻すことができるので、そのアッシュの粉を排気ガスの流れによりパティキュレートフィルタから掃気させて除去することができ、アッシュの粒により流路内の触媒表面が被覆されて性能低下を招くようなアッシュ溜りの発生を未然に防止することができる。
【００４２】
（ＩＩ）本発明の請求項４に記載の発明によれば、排気ガス中に添加されたＨＣがパティキュレートフィルタの酸化触媒上で酸化反応することができないほど排気温度が極めて低い運転領域で運転が行われているような場合であっても、排気流路を絞り込むことにより排気温度を上げて酸化触媒における添加ＨＣの酸化反応を可能ならしめることができ、また、ＨＣ添加を行う場合に常に排気流路を絞り込むようにすれば、ＨＣの添加量を必要最低限に抑制しつつパティキュレートフィルタ全体をサルフェートの脱離温度以上としてサルフェートの完全脱離を実現することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。
【図２】図１のパティキュレートフィルタの詳細を示す断面図である。
【図３】ＨＣ添加後のパティキュレートフィルタ内の温度分布を示すグラフである。
【図４】ＨＣ添加前のサルフェートの溜り量を示すグラフである。
【図５】ＨＣ添加によりサルフェートを脱離させた後の溜り量を示すグラフである。
【図６】パティキュレートフィルタ全体をサルフェートの脱離温度以上とした時の温度分布を示すグラフである。
【図７】サルフェートを完全に脱離した状態を示すグラフである。
【符号の説明】
１　　ディーゼルエンジン（内燃機関）
８　　排気ガス
９　　排気管
１０　　パティキュレートフィルタ
１４　　制御装置
１７　　回転センサ
１７ａ　　回転数信号
１８　　排気ブレーキ
１９　　インジェクタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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