(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの排ガスを排出する排ガス通路に配設され、排ガス中の一酸化窒素を二酸化窒素に酸化させる酸化触媒と、
前記酸化触媒の下流側に配設され、排ガス中のパティキュレート・マターを捕集するフィルタと、
酸化触媒の上流へ空気を導入する空気導入手段と、
前記酸化触媒の上流の排ガス温度を検出する温度センサと、
前記酸化触媒から前記フィルタへ向かう前記二酸化窒素の濃度を検出する二酸化窒素センサと、
前記温度センサの検出温度が所定値以上で、かつ前記二酸化窒素センサの検出濃度が所定値以下のとき、前記空気が導入されるよう前記空気導入手段を制御する制御手段と
を具備したことを特徴とする排ガス浄化装置。
【請求項２】
請求項１に記載の排ガス浄化装置において、
前記エンジンは、吸気を過給する過給装置を有した過給式エンジンで構成され、
前記空気導入手段は、前記過給装置の過給した空気の一部を前記酸化触媒の上流へ導入する空気路と、同空気路を開閉する弁装置とを有して構成される
ことを特徴とする排ガス浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンから排出される排ガス中に含まれるパティキュレート・マターを除去する排ガス浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車に搭載され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・マター（粒子状物質：以下、ＰＭという）が含まれている。ＰＭは、すすと未燃焼炭化化合物といった可燃性の物質である。
【０００３】
そこで、自動車では、ＰＭを酸化処理する排ガス浄化装置を用いて、エンジンから排出される排ガス中のパティキュレート・マターを取り除く研究が進められている。
【０００４】
多くは、排ガス浄化装置として、特開昭６１−９３２１９号公報に見られるように、エンジンの排ガスが排出される排ガス通路に、触媒が付いたディーゼル・パティキュレート・オキシダオザ（以下、ＤＰＯという）を配設する構造が提案されている。同装置は、自動車の走行中、ＤＰＯにより、エンジンから排出されるＰＭを捕集する。そして、ＰＭの燃焼に必要な十分な排ガス温度が確保される高負荷時などにおいて過給空気の一部をＤＰＯへ供給し、吸入空気の酸素と排ガスの熱を利用して、捕集したＰＭを燃焼させて、ＤＰＯを再生させるものである。
【０００５】
ところで、エンジンから排出される排ガスの温度は、自動車の運転状況により、低温から高温までの幅広い領域で変わるので、排ガス浄化装置は、できるだけ低温の領域からＰＭの酸化除去が行えることが求められる。
【０００６】
ところが、上記排ガス浄化装置は、ＤＰＯに付いている触媒により、比較的低温の領域でＰＭの酸化除去が可能であるが、それでもＰＭの酸化温度が４５０℃以上でないと十分なフィルタの再生が得られず、思うような低温域でのＰＭ燃焼が期待できない（試験による）。
【０００７】
そこで、酸素（Ｏ2）によりＰＭを酸化するのではなく、二酸化窒素（ＮＯ2）によりＰＭを酸化除去するようにした排ガス浄化装置が提案されている。
【０００８】
これは、特開平１−３１８７１５号公報に示されるように、前段に排ガス中の一酸化窒素（以下、ＮＯという）を二酸化窒素（以下、ＮＯ2という）に酸化させる酸化触媒を配置し、後段にＰＭを捕集するＤＰＦを配置した２段式の排ガス浄化装置である。同装置は、前段の酸化触媒により、排気ガス中のＮＯをＮＯ2まで酸化反応させ（ＮＯ＋1/2Ｏ2 →ＮＯ2）、このＮＯ2を利用して、後段のＤＰＦで捕集されたＰＭを燃焼反応（酸化反応：Ｃ＋2ＮＯ2→ＣＯ2＋2ＮＯ）させて、ＰＭを酸化除去するものである。
【０００９】
同技術だと、上記酸化反応により、２５０〜３００℃程度の低温域から、連続的にＰＭの酸化除去が可能となる（連続再生）。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、ＮＯをＮＯ2に酸化させる酸化触媒は、触媒の特性上、現在、３００℃以上の温度領域になると、ＮＯをＮＯ2にする能力が低下する現象が表れる。しかも、それ以上の温度域は、酸化触媒での酸化反応により得たＮＯ2が分解反応（2ＮＯ2→2ＮＯ＋Ｏ2）を起し、ＮＯに戻ってしまう。
【００１１】
これでは、高温領域になると、一部のＮＯ2が分解してＮＯに戻り、ＰＭの酸化除去に必要なＮＯ2が不足する（ＮＯ→ＮＯ2の転化率が低下）。
【００１２】
つまり、連続再生式の排ガス浄化装置には、ＤＰＦの連続再生が可能な温度領域は狭いという問題がある。
【００１３】
このため、同排ガス浄化装置のＰＭ浄化率は、限られた連続再生可能な温度領域の中では良い値を示すがそれ以外の温度領域では低く、自動車に見られるような運転状態に応じて排ガスの温度が低温から高温まで幅広く変化する温度領域では、ＤＰＦの再生は非常に難しい。
【００１４】
しかも、酸化触媒は５００℃以上の温度領域だと触媒の熱劣化が始まり、ＤＰＦは１０００℃以上の高温になると破損するおそれがあるので、単純にＮＯ2を添加するだけでは十分でなく、簡単には連続再生式の排ガス浄化装置を自動車用エンジンの排ガス浄化には適用できなかった。
【００１５】
本発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、低温から高温までの幅広い排ガス温度域で、熱劣化や熱による破損を回避しつつ、連続再生による十分な浄化ができる排ガス浄化装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１に記載の排ガス浄化装置は、一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ2）に酸化させる酸化触媒と、排ガス中のパティキュレート・マター（ＰＭ）を捕集するフィルタとを組み合せた連続再生トラップ構造に、酸化触媒の上流へ空気を導入する空気導入手段、酸化触媒の上流の排ガス温度を検出する温度センサ、酸化触媒からフィルタへ向かう二酸化窒素の濃度を検出する二酸化窒素センサ、さらには温度センサの検出温度が所定値以上で二酸化窒素センサの検出濃度が所定値以下のとき空気が導入されるよう空気導入手段を制御する制御手段を組み合せて、酸化触媒の酸化反応に最適な触媒活性温度を超える排ガス温度のとき、空気を酸化触媒の上流へ導入するようにした。
【００１７】
この構成だと、連続再生式の排ガス浄化装置が、二酸化窒素の不足からフィルタの連続再生が望めない状態になると、導入される空気により、酸化触媒が冷却される。すると、酸化触媒は、排ガス中の一酸化窒素を二酸化窒素に酸化反応させるのに最適な触媒活性温度（例えば３００℃前後）に保たれる。しかも、酸化触媒は、空気中に含まれる酸素の添加により、酸化反応が促進されるだけでなく、二酸化窒素の分解反応が抑えられる。こうした触媒温度がほぼ一定に保たれる状態での酸化反応により、排ガス温度が高くとも、酸化触媒は高い転化率で一酸化窒素から二酸化窒素への酸化反応が行なわれる。
【００１８】
後段のフィルタへ向かう二酸化窒素は、空気の導入がもたらす冷却や同空気の酸素により、分解が抑制される。これにより、フィルタのパティキュレート・マターを燃焼（酸化）させるのに最適な二酸化窒素の濃度が確保されるので、フィルタに付いているパティキュレート・マターが十分に酸化除去される。
【００１９】
かくして、空気の導入により、排ガスの温度が高くとも、一酸化窒素から二酸化窒素への転化率を高い状態に保ちながら、パティキュレート・マターの十分な酸化除去が進められるので、浄化性能を向上できる。
【００２０】
そのうえ、酸化触媒、フィルターは、導入空気による冷却により、熱劣化や熱による破損が回避されるので、耐久性の向上が図れる。
【００２１】
請求項２に記載の排ガス浄化装置は、上記目的に加え、さらにエンジンに付いている補機を活用して、コスト的な負担を抑えつつ空気の導入が行えるよう、過給装置を有した過給式エンジンを採用することを前提とした上で、空気導入手段として過給装置の過給した空気の一部を酸化触媒の上流へ導入する空気路と同空気路を開閉する弁装置との組み合わせを採用するようにした。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図１ないし図３に示す一実施形態にもとづいて説明する。
【００２３】
図１中１は、自動車に搭載される走行用ディーゼルエンジンを示す。ディーゼルエンジン１は、吸・排気ポート２，３、同吸・排気ポート２，３を開閉する吸・排気弁４，５、燃料噴射ノズル（図示しない）を有するシリンダ６内に、ピストン７を往復動可能に収めて構成される。そして、同エンジン１は、ピストン７の往復動にしたがい、所定のタイミングで吸・排気弁４，５が開閉動、さらには所定のタイミングで燃料噴射ノズルから燃料が燃焼室へ噴射されることにより、シリンダ６内で吸入行程、圧縮行程、燃焼行程、排気行程が周期的に行なわれ、ピストン２とつながるクランクシャフト（図示しない）から動力が出力されるようにしてある。
【００２４】
このディーゼルエンジン１の吸気ポート２は、過給機、例えばターボ過給機１０を構成しているコンプレッサ１１の出口１１ｂに接続されている。また排気ポート３は、コンプレッサ１１と同軸に連結されているターボ過給機１０のタービン１２の入口１２ａに接続されている。このターボ過給機１０が付くことにより、吸入空気が、排ガスの排気エネルギーで、ディーゼルエンジン１の燃焼室へ過給されるようにしている。つまり、過給式ディーゼルエンジンとしている。なお、コンプレッサ１１の入口１１ａは、図示しないがエアクリーナーに接続される。
【００２５】
またタービン１２の出口１２ｂには、排気管１５（排ガス通路）が接続されていて、同排気管１５からディーゼルエンジン１の排ガスが外部（大気）へ排出されるようにしてある。
【００２６】
この排気管１５の途中には、排気ガス中のパティキュレート・マターを酸化除去する排ガス浄化装置２０が介装されている。
【００２７】
同装置は、例えば排気管１５の上流側につながる入口２１ａを一端部に有し、排気管１５の下流側につながる出口２１ｂを他端部に有した１つの共通な細長のケース２１を有している。このケース２１内の上流側（前段）には、一酸化窒素（以下、ＮＯという）を二酸化窒素（以下、ＮＯ2という）に酸化させる酸化触媒２２を収めてある。またケース２１内の下流側（後段）には、パティキュレート・マター（以下、ＰＭという）を捕集するディーゼルパテキュレートフィルタ２３（以下、ＤＰＦ２３という：本願のフィルタに相当）が収めてある。これら直列に配設された酸化触媒２２、ＤＰＦ２３により、２段式の連続再生式トラップを構成している。そして、この連続再生式トラップにより、前段の酸化触媒２２で排気ガス中のＮＯをＮＯ2まで酸化反応させ（ＮＯ＋1/2Ｏ2 →ＮＯ2）、このＮＯ2を利用して、後段のＤＰＦで、捕集されたＰＭを燃焼反応（酸化反応：Ｃ＋2ＮＯ2→ＣＯ2＋2ＮＯ）させて、排ガス中のＰＭの酸化除去を可能としている。
【００２８】
この排ガス浄化装置２０のうち、ケース２１の上流側には、酸化触媒２２の上流側の排ガス温度を検出する温度センサ２４が組み付けてある。さらにケース２１の中間部分には、酸化触媒２２からＤＰＦ２３へ向かうＮＯ2の濃度を検出する二酸化窒素センサ２５（以下、ＮＯ2センサ２５という）が組み付けてある。
【００２９】
また酸化触媒２２の上流側の地点、例えば入口２１ａの直前の排気管１５部分には、空気導入管２６（空気路に相当）の一端部が接続されている。この空気導入管２６の他端部は、ディーゼルエンジン１の吸気ポート２とコンプレッサ１１の出口１１ｂとをつなぐ吸気路１３の一部に接続されていて、これによりターボ過給機１０で過給した空気の一部が酸化触媒２２の上流側へ導入できるようにしている。この空気導入管２６の経路には、空気の導入を制御するアクチュエータ、例えばソレノイド２７ａで開閉駆動される弁装置２７が組み付けられていて、同弁装置２７で空気導入管２６が開閉できるようにしている（本実施形態では常閉形の弁装置２５）。
【００３０】
そして、温度センサ２４、ＮＯ2センサ２５、弁装置２７のソレノイド２７ａは、例えばマイクロコンピュータで構成されたＥＣＵ３０（制御手段に相当）に接続されている。このＥＣＵ３０には、自動車の走行中、酸化触媒２２へ向かう排ガスの温度が酸化触媒２２の最適活性化温度（所定値：例えば３００℃）以上、すなわち最適活性化温度が保てなくなるときで、かつＤＰＦ２３へ向かうＮＯ2濃度が、予めディーゼルエンジン１の運転状態から設定したＰＭの酸化除去に必要な濃度［例えばＰＭモル濃度の２倍（所定値：酸化反応式による）］以下、すなわちＰＭの酸化除去に必要なＮＯ2が不足するとき、常閉の弁装置２７を開作動させる機能が設定されている。つまり、当該エンジン運転状態のときにだけ、多くの酸素を含む低温度の吸入空気が、酸化触媒２２の上流側から導入されるようにしてある。
【００３１】
この吸入空気の導入により、連続再生式トラップにおいて、排ガス温度に関わらず、連続的な再生処理で、十分なＰＭの酸化処理が果たせるようにしてある。図２のフローチャートは、この連続再生式トラップの制御が示されている。
【００３２】
同フローチャートにもとづき連続再生式トラップの作用について説明すれば、今、ディーゼルエンジン１が、自動車の走行に伴い、運転されているとする。
【００３３】
このとき、シリンダ６から排出された排ガスは、ターボ過給機１０のタービン１２、排気管１５、排ガス浄化装置２０（連続再生式トラップ）を通じて、外部（大気）へ排気される。なお、ターボ過給機１０は、タービン１２によるコンプレッサ１１の駆動により、吸入空気を過給している。
【００３４】
そして、排ガスが排ガス浄化装置２０を通過する際、排ガス中のＰＭが後段のＤＰＦ２３で捕集され、同ＰＭが前段の酸化触媒２３で生成されるＮＯ2で、連続的に燃焼（酸化除去）される。
【００３５】
すなわち、今、排ガス温度Ｔ（温度センサ２４で検出される温度）が、酸化触媒２２の最適な活性化温度域（例えば３００℃を下回る温度域）に保たれ（ステップＳ１）、ＤＰＦ２３の入口に流入するＮＯ2濃度Ｒ（ＮＯ2センサ２５で検出される濃度）が、予めエンジン運転状態に応じて設定された設定ＮＯ2濃度（［ＮＯ2］：エンジン運転状態から求めたＰＭモル濃度の２倍）を超える濃度に保たれて（ステップＳ２）いるとする。
【００３６】
すると、ＥＣＵ３０は、今のエンジン運転状態が、ＤＰＦ２３の連続再生温度領域を保つ状態にあると判定して、弁装置２７を「閉」にする（ステップＳ３）。
【００３７】
このときは、排ガスの温度は低いので（３００℃未満）、排ガス浄化装置２０は、前段の酸化触媒２２において、排気ガス中のＮＯをＮＯ2まで酸化させる反応（ＮＯ＋1/2Ｏ2 →ＮＯ2）が十分に行なわれる。そして、このＮＯ2により、後段のＤＰＦ２３において、捕集されたＰＭを燃焼反応（酸化反応：Ｃ＋2ＮＯ2→ＣＯ2＋2ＮＯ）させるという、連続的なＰＭの酸化除去が行なわれる。
【００３８】
一方、自動車の運転状態により、排ガス温度Ｔが設定排ガス温度（３００℃）以上に上昇し、酸化触媒２２におけるＮＯをＮＯ2まで酸化させる反応が低下し（ステップＳ１）、さらにＰＭの酸化除去に必要なＮＯ2濃度が確保されなく（ステップＳ２）なったとする。
【００３９】
このときには、ＥＣＵ３０は、二酸化窒素の不足からＤＰＦ２３の連続再生が望めない状態になったと判定して、弁装置１を「開」にする（ステップＳ４）。
【００４０】
すると、ターボ過給機１０で過給されたの過給空気の一部（低温でかつ多くの酸素を含む空気）が、空気導入管２６を通じて、酸化触媒２２の上流へ導入される。
【００４１】
これにより、酸化触媒２２は、導入空気により冷却され、ＮＯをＮＯ2に酸化反応させるのに最適な触媒活性化温度（例えば３００℃前後）に保たれる。と同時に、空気中に含まれる酸素の添加により、上記酸化反応が促進される。むろん、ＮＯ2からＮＯへの分解反応は抑えられる。
【００４２】
このような触媒温度がほぼ一定に維持されることにより、排ガス温度Ｔが高くとも、酸化触媒２２は、高い転化率で、ＮＯからＮＯ2への酸化反応が行なわれる。
【００４３】
そして、このＮＯ2が、後段のＤＰＦ２３へ導かれる。このＮＯ2は、導入空気による冷却や空気中の酸素による安定化により、分解が抑制される。これにより、ＮＯ2濃度の低下が抑制され、ＰＭを燃焼（酸化）させるのに最適なＮＯ2濃度は確保される。このＮＯ2により、ＤＰＦ２３に付いているＰＭが十分に酸化除去される。
【００４４】
かくして、空気の導入により、排ガスの温度が高くとも、ＮＯからＮＯ2への転化率を高い状態に保ちながら、ＤＰＦ２３で十分なＰＭの酸化除去が進められる（連続再生の維持）。
【００４５】
このことにより、ＤＰＦ２３の連続再生温度領域は、限られた運転状態でなく、高温の排ガスを排出する運転状態においても、ＰＭを効率良く浄化することができる。
【００４６】
特に、導入空気がもたらす冷却作用と、導入空気の酸素の添加作用とがもたらす共存効果により、単に酸化触媒２２とＤＰＦ２３との２つの反応系を組み合せて得られるＰＭ浄化率よりも、高いＰＭ浄化率が得ることができる（浄化能力の向上）。すなわち、図３は、リグ試験による同効果を線図化したもので、同図（ａ）はＰＭ（Ｃ）とＮＯ2との反応で行なわれるＰＭの浄化率を示し、（ｂ）はＰＭ（Ｃ）とＯ2との反応でＰＭ行なわれるＰＭの浄化率を示し、（ｃ）は両反応系に空気の導入を組み合せたときのＰＭの浄化率を示している。（ｃ）と他の（ａ），（ｂ）を対比することによって、Ｏ2が酸化触媒２２とＤＰＦ２３の双方でもたらす冷却・酸素添加の有効性から、単に（ａ）と（ｂ）と加算した以上のＰＭ浄化率（ＰＭ浄化能力）が得られることがわかり、連続再生式トラップの浄化能力が促進されたことが確認された（リグ試験による）。但し、ＰＭ浄化率は、「加熱前後ＰＭ堆積量の差Ａ／加熱前のＰＭ堆積量Ｂ」で表されるパラメータである。
【００４７】
そのうえ、酸化触媒２２、ＤＰＦ２３は、導入空気による冷却により、熱劣化や熱による破損が回避されるので、耐久性の点にも優れる。
【００４８】
また導入空気は、ディーゼルエンジン１に付いている補機であるターボ過給機１０を、そのまま、低温かつ多量の酸素を含む空気を供給する供給源として活用して、酸化触媒２２の上流へ導入するようにしたので、別途、空気供給源は必要でなく、コスト的な負担は軽くてすむ。
【００４９】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施しても構わない。例えば上述した一実施形態では、ターボ過給機の過給空気の一部を酸化触媒の上流へ導入させるようにしたが、それ以外の過給機を用いて、酸化触媒の上流へ空気を導入させるようにしてもよい。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１に記載の発明に記載の発明によれば、空気の導入により、排ガスの温度が高くとも、一酸化窒素から二酸化窒素への転化率を高い状態に保ちながら、パティキュレート・マター（ＰＭ）の十分な酸化除去が進められる。
【００５１】
したがって、従来、所定運転領域（排ガス温度が３００℃前後の運転領域）でしかパティキュレート・マターを効率良く燃焼除去できなかったのに対して、本発明の場合、排ガス温度が３００℃よりも高い運転状態の時でも酸化触媒の温度を最適温度に維持できるので、幅広い運転領域でフィルタの連続再生ができる。しかも、導入空気が、酸化触媒とフィルタの双方でもたらす冷却・酸素添加により、連続再生式トラップで構成される排ガス浄化装置は、今まで以上の浄化能力の向上を図ることができる。そのうえ、酸化触媒、フィルターは、導入空気による冷却により、熱劣化や熱による破損が回避されるので、耐久性の点にも優れる。
【００５２】
請求項２に記載の発明によれば、上記効果に加え、エンジンに付いている補機である過給機の過給空気の一部を酸化触媒の上流へ導入させるようにしたので、外部から空気を導入するに際し、別途、空気供給源を設置せずにすみ、コスト的な負担を抑えつつ空気の導入ができるといった効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る排ガス浄化装置を、同装置を組み付けたエンジンと共に示す図。
【図２】同排ガス浄化装置の連続再生能力を、排ガスの温度に関わらずに発揮させる制御を説明するためのフローチャート。
【図３】同連続再生能力が、リグ試験で導入空気により、促進されることを説明するための線図。
【符号の説明】
１…ディーゼルエンジン（エンジン）
１０…ターボ過給機（過給機）
１５…排気管（排ガス通路）
２１…ケース
２２…酸化触媒
２３…パティキュレート・フィルタ（フィルタ）
２４…温度センサ
２５…二酸化窒素センサ
２６，２７…空気導入管，弁装置（空気導入手段）
３０…ＥＣＵ（制御手段）。
【図１】
0003918393.tif 000002
【図２】
0003918393.tif 000003
【図３】
0003918393.tif 000004