JP5721346B2 - 内燃機関の排気浄化システム - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化システムに関する。詳しくは、内燃機関から排出される排気中の粒子状物質（ＰＭ（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ））を捕集するフィルタを備えた内燃機関の排気浄化システムに関する。

自動車などに搭載される内燃機関、特に圧縮着火式内燃機関においては、排出される排気中に多量のＰＭが含まれる。このＰＭは人体に有害であり、またエミッション規制対象物質である。このため、ＰＭを除去するためのフィルタが、上記内燃機関の排気通路に設けられているのが一般的である。上記フィルタとしては、ＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）に、捕捉したＰＭを浄化するための浄化触媒を担持させたもの（ＣＳＦ（Ｃａｔａｌｙｚｅｄ Ｓｏｏｔ Ｆｉｌｔｅｒ）ともいう）などが用いられている。

このようなフィルタでは、ＰＭが過剰に堆積すると圧損が大きくなり、ひいては内燃機関の出力の低下や燃費の悪化を招くこととなるため、フィルタに堆積したＰＭを燃焼除去するフィルタ再生制御を適宜実行する必要がある。このフィルタ再生制御では、例えば、排気工程中での燃料噴射（以下、「ポスト噴射」という）が実行される。

ところで、以上のようなフィルタを備えた車両では、燃費の向上やエミッションの低減のため、フィルタ再生制御に要する燃料の量は少ない方が好ましい。そこで、例えば特許文献１、２には、排気温度が高くなるような運転状態に合わせてフィルタ再生制御を行うことにより、フィルタを昇温するために要する燃料の量を少なくする技術が示されている。

特開２００４−１３２２３号公報 特開２０００−１６１０４４号公報

しかしながら、上記特許文献１、２に記載された技術は、排気温度が高くなるような運転状態に合わせてフィルタ再生制御を行うことにより、フィルタを効率的に昇温することができるももの、ＰＭの燃焼効率自体を向上することはできないため、燃費の向上やエミッションの低減に大きく貢献する技術ではない。

本発明は、フィルタ再生制御にかかる燃料の量を大幅に低減できる内燃機関の排気浄化システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明は、内燃機関（例えば、後述のエンジン１）の排気に含まれる粒子状物質を捕集するフィルタ（例えば、後述のＤＰＦ３２）を備えた排気浄化装置（例えば、後述の排気浄化装置３）と、前記フィルタを昇温し当該フィルタに堆積した粒子状物質を燃焼除去するフィルタ再生制御を実行する再生制御手段（例えば、後述のＥＣＵ５およびエンジン１）と、前記フィルタに堆積している粒子状物質の量である粒子状物質堆積量を推定する堆積量推定手段（例えば、後述のＥＣＵ５および差圧センサ６）と、を備える内燃機関の排気浄化システム（例えば、後述の排気浄化システム２）を提供する。前記フィルタは、少なくともＡｇが担持された粒子状物質酸化触媒（例えば、後述のＰＭ酸化触媒）を有し、前記再生制御手段は、前記推定された粒子状物質堆積量（例えば、後述のＰＭ堆積量）が前記フィルタの所定の堆積限界量（例えば、後述のＰＭ堆積限界量）を超えたことに応じて前記フィルタ再生制御を開始し、当該フィルタ再生制御終了後のフィルタに所定の残存量（例えば、後述のＰＭ残存量）の粒子状物質が燃焼除去されずに残るように、前記開始したフィルタ再生制御を終了する。

本発明では、粒子状物質を捕集するフィルタとして、少なくともＡｇが担持された粒子状物質酸化触媒を有するものを用いた。ここで、Ａｇが担持された触媒は、比較的低温で粒子状物質を燃焼できる材料とされており、またこの低温燃焼性能は、粒子状物質と触媒との接触性が高いときに最も効率的に引き出される。
以上のようなフィルタを用いた上で、本発明の再生制御手段は、フィルタ再生制御終了後のフィルタに所定の残存量の粒子状物質が燃焼除去されずに残るように、フィルタ再生制御を終了する。ここで、フィルタ再生制御を実行し、堆積した粒子状物質を燃焼除去する場合、粒子状物質は粒子状物質酸化触媒との接触性が高いフィルタの表面側から燃焼すると考えられる。したがって本発明によれば、上記所定の残存量の粒子状物質を残し、堆積した粒子状物質の全てを燃焼しきらずにフィルタ再生制御を終了することにより、堆積した粒子状物質のうち触媒との接触性が高く、少ない燃料で効率的に燃焼できる分だけを燃焼除去し、触媒との接触性が低く、効率的に燃焼できない分を燃焼除去せずに残すことができる。したがって、本発明によれば、フィルタ再生制御を実行する度に、堆積した粒子状物質の全てを完全に燃焼除去する場合と比較して、消費する燃料の量を大きく低減し、またエミッションを低減することもできる。なお、以下では、フィルタに堆積した粒子状物質を全て燃焼除去することを、フィルタを完全再生するという。また、フィルタに有意な量の粒子状物質が残るように、堆積した粒子状物質のうち一部のみを燃焼除去することを、フィルタを部分再生するという。
また、上述のようにフィルタを完全再生せず部分再生し、粒子状物質を少ない燃料で効率的に燃焼除去することにより、フィルタ再生制御の実行時間を短縮することもできる。その結果、フィルタが高温にさらされる時間を短縮することができるので、フィルタにかかる熱負荷を低減することができる。また、フィルタにかかる熱負荷を低減する分、フィルタの触媒の熱による劣化も小さくすることができるので、その分だけ触媒の貴金属量を減らすことができる。したがって、排気浄化システムのコストを低減することができる。

この場合、前記堆積限界量は、前記フィルタの基材に応じた限界量から、燃焼除去できない灰の堆積分と、前記堆積量推定手段による粒子状物質堆積量の推定の誤差分とを除いて設定されることが好ましい。

フィルタには、粒子状物質の他、燃料や内燃機関のオイルに含まれる無機物が灰として僅かながらも堆積してゆく。また、堆積量推定手段による粒子状物質堆積量の推定には、様々な要因による誤差が含まれている。そこで本発明では、フィルタ再生制御を開始する契機となるフィルタの堆積限界量を、フィルタの基材に応じた限界量から、灰の堆積分と粒子状物質堆積量の推定の誤差分とを除いて設定した。これにより、適切な時期にフィルタ再生制御が実行されず、フィルタに実質的な限界を超えた量の粒子状物質が堆積するのを防止することができる。

この場合、前記残存量は、燃費が小さくなるように前記堆積限界量に応じて設定されることが好ましい。

残存量をゼロに近づけると、再生時間が長くなり燃費が悪化するおそれがある。また、逆に残存量を堆積限界量に近づけると、再生時間は短くなるものの再生頻度が増加するため、結果として燃費が悪化するおそれがある。そこで、本発明では、燃費が小さくなるように、堆積限界量に応じて残存量を設定する。これにより、より確実に燃費を向上しかつエミッションを低減することができる。

この場合、前記堆積量推定手段は、前記内燃機関の回転数および燃料噴射量に応じたマップ値、または前記フィルタの上流側と下流側の差圧に応じたマップ値に基づいて、前記フィルタの粒子状物質堆積量を推定することが好ましい。

本発明によれば、内燃機関の回転数および燃料噴射量に応じたマップ値、またはフィルタの上流側と下流側の差圧に応じたマップ値に基づいて、フィルタの粒子状物質堆積量を推定することにより、フィルタ再生制御を開始または終了する時期を、適切に判断することができる。

この場合、前記排気浄化装置は、前記フィルタと、排気中のＣＯおよびＨＣを浄化する浄化触媒（例えば、後述の酸化触媒）を有する触媒コンバータ（例えば、後述の触媒コンバータ３１）と、を含み、前記フィルタは、前記内燃機関の排気通路（例えば、後述の排気管４）のうち前記触媒コンバータより下流側に設けられることが好ましい。

本発明では、上記浄化触媒を有する触媒コンバータの下流側にフィルタを設けた。これにより、フィルタ再生制御の実行にあたり例えばポスト噴射を実行した場合には、噴射した燃料を触媒コンバータで酸化することができるので、その下流側のフィルタを速やかに昇温することができる。

この場合、前記粒子状物質酸化触媒は、酸素放出能を有する複合酸化物に少なくともＡｇを担持して構成され、前記フィルタは、前記粒子状物質酸化触媒の他、排気中のＣＯおよびＨＣを浄化する浄化触媒（例えば、後述の酸化触媒）と、排気中のＮＯからＮＯ_２を生成するＮＯ_２生成触媒（例えば、後述のＮＯ_２生成触媒）とを有することが好ましい。

本発明によれば、複合酸化物にＡｇを担持して粒子状物質酸化触媒を構成することにより、活性種であるＡｇを、粒子状物質との接触界面に配置することができるため、粒子状物質との接触性を向上することができる。また、複合酸化物は耐熱性が高い。このような複合酸化物にＡｇを担持することにより、Ａｇの凝集および揮発を抑制できるので、粒子状物質酸化触媒の耐熱性を向上することができる。
また、酸素放出能を有する複合酸化物は、ＮＯ_２吸着能が高い。このため、同一のフィルタ上にＮＯ_２生成触媒と複合酸化物を含む粒子状物質酸化触媒とを共存させることにより、生成したＮＯ_２が酸素放出能を有する複合酸化物の表面に吸着し、表面のＮＯ_２濃度を高く保つことができる。このため、ＡｇによるＮＯ_２と粒子状物質との反応がさらに促進され、粒子状物質の燃焼速度を向上することができる。したがって、フィルタ再生制御にかかる時間をさらに短縮することができる。

この場合、前記粒子状物質酸化触媒は、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｐｔからなる群より選択される少なくとも１種の貴金属と、Ａｇとを、酸素放出能を有する複合酸化物に共担持して構成されることが好ましい。

本発明によれば、Ａｇとともに上述のような貴金属を共担持することにより、貴金属による酸素供給能の向上、および貴金属によるブロッキング効果により、Ａｇの微粒子化が可能となる。このため、複合酸化物の酸素放出能を大幅に向上することができ、粒子状物質の燃焼性能をさらに向上することができる。

この場合、前記ＮＯ_２生成触媒は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈからなる群より選択される少なくとも１種の貴金属を、アルミナ、シリカ、チタニア、セリア、ジルコニアからなる群より選択される少なくとも１種の高比表面積担体に担持して構成されることが好ましい。

本発明によれば、上記貴金属を上記高比表面積担体に担持することにより、貴金属粒子を微細化することができるので、ＮＯを酸化する性能を向上することができる。また、上述のような高比表面積担体に貴金属を担持することにより、貴金属の凝集を抑制し、さらにサルファ被毒を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係るエンジンと、その排気を浄化する排気浄化システムの構成を示す模式図である。 上記実施形態に係る排気浄化装置の構成を示す図である。 上記実施形態に係るＤＰＦのフィルタ体の構成を示す上面図である。 上記実施形態に係るＤＰＦのフィルタ体の構成を示す断面図である。 上記実施形態に係るＥＣＵにより実行されるＤＰＦ再生制御の手順を模式的に示す図である。 上記実施形態に係るＤＰＦにおけるＰＭの燃焼特性を模式的に示す図である。 上記実施形態に係るＰＭ堆積限界量を説明するための図である。 熱負荷の内訳を模式的に示す図である。 熱負荷をかけた後の実施例１および比較例１、２の排気浄化装置のＨＣ浄化率と、その貴金属量との関係を示す図である。 ＤＰＦの再生にかかった時間を実施例１と比較例１とで比較する図である。 実施例１のＰＭ残存率と時間短縮率との関係を示す図である。 所定の再生インターバルごとに、所定のＰＭ残存量で部分再生した場合におけるＰＭ堆積量の変化を示す図である。 ＰＭ残存量とＰＭ飽和堆積量との関係を再生インターバルごとに示す図である。 再生インターバルごとの再生時間と、燃費低減率とを示す図である。 ４回に亘り部分再生を行ったときにおけるＤＰＦの圧損を示す図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本実施形態に係る内燃機関（以下、「エンジン」という）１と、その排気を浄化する排気浄化システム２の構成を示す模式図である。

エンジン１は、各気筒１１の燃焼室内に燃料を直接噴射するディーゼルエンジンであり、各気筒には図示しないインジェクタが設けられている。これらインジェクタは、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）」という）５に電気的に接続されており、その燃料噴射量は、ＥＣＵ５により制御される。エンジン１の排気が流通する排気管４のうち、エンジン１の直下には排気を浄化する排気浄化装置３が設けられている。

図２は、排気浄化装置３の構成を示す図である。図２において、左方は排気の上流側を示し、右方は排気の下流側を示す。
排気浄化装置３は、排気を浄化する触媒コンバータ３１と、排気に含まれるＰＭを捕集するＤＰＦ３２とを、含んで構成される。また、これら触媒コンバータ３１およびＤＰＦ３２は、ＤＰＦ３２が触媒コンバータ３１の排気下流側に位置するように、ケーシング３３内に一体に組み込まれる。

触媒コンバータ３１は、ハニカム構造体に、排気中のＣＯおよびＨＣを浄化する機能および後述のポスト噴射により噴射された燃料を酸化しその酸化熱により下流側のＤＰＦ３２を昇温する機能を有する酸化触媒を塗布して構成される。より具体的には、この酸化触媒は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈからなる群より選択される少なくとも１種の元素を担持して構成されたものであることが好ましい。

ＤＰＦ３２は、ウォールフロータイプのフィルタ体に、排気中のＣＯおよびＨＣを浄化する酸化触媒、少なくともＡｇを担持しており、捕集したＰＭを酸化するＰＭ酸化触媒、および排気中のＮＯからＮＯ_２を生成するＮＯ_２生成触媒などの各種触媒を塗布して構成される。

図３は、ＤＰＦ３２のフィルタ体３４の構成を示す上面図であり、図４は、フィルタ体３４の構成を示す断面図である。図４において、左方は排気の上流側を示し、右方は排気の下流側を示す。フィルタ体３４は、排気が流れる方向に沿って延びる複数の多孔質壁３５と、これら多孔質壁３５により区画形成され、排気の流路となる複数のセル３６とを備える。

図４に示すように、セル３６は、上流側セル３６１と下流側セル３６２とに分けられ、これら上流側セル３６１と下流側セル３６２とは交互に配置される。
上流側セル３６１の下流側には、上流側セル３６１の内部からフィルタ体３４の下流側へ排気が流出するのを防止する目封じ３７が設けられている。また、下流側セル３６２の上流側にも、フィルタ体３４の上流側から下流側セル３６２の内部へ排気が流入するのを防止する目封じ３７が設けられている。また、多孔質壁３５には無数の細孔が形成されており、排気が通過可能となっている。
すなわち、フィルタ体３４へ流入する排気は、先ず、上流側セル３６１内に流入し、多孔質壁３５を通過して、下流側セル３６２内へ流入し、フィルタ体３４外へ流出する。ここで、排気が多孔質壁３５の細孔を通過する際、多孔質壁３５には、排気に含まれるＰＭが堆積する。
また、フィルタ体３４の材料としては、ＳｉＣ、コージェライト、チタン酸アルミニウム、およびムライトなど、既知の材料を用いることができる。

図２に戻って、ＤＰＦ３２のフィルタ体のうち、排気上流側には酸化触媒が塗布され、排気下流側にはＰＭ酸化触媒およびＮＯ_２生成触媒が塗布されている。以下、これら触媒について詳細に説明する。

酸化触媒は、上記触媒コンバータ３１の酸化触媒と同様に、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈからなる群より選択される少なくとも１種の元素を担持して構成されたものであることが好ましい。このような酸化触媒をＤＰＦ３２のフィルタ体に塗布することにより、触媒コンバータ３１による排気のＣＯおよびＨＣの浄化性能を補うことができる。

ＰＭ酸化触媒には、酸素放出能を有する複合酸化物に少なくともＡｇを担持して構成されたものが用いられる。Ａｇを含むＡｇ系触媒は、ＰＭの燃焼に有効な触媒であると考えられている。具体的には、ＰＭとの接触性が良好である場合、低温（例えば、２００℃以下）からＰＭを着火させ、効率的にＰＭを燃焼できることが知られている。

また、上記酸素放出能を有する複合酸化物には、ペロブスカイト型、スピネル型、ルチル型、デラフォサイト型、マグネトプランバイト型、イルメナイト型、フルオライト型からなる群より選択される少なくとも１種を用いることが好ましい。中でも、耐熱性の観点から、ペロブスカイト型、フルオライト型が好ましく用いられる。
また、複合酸化物は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属の中から選択される２種以上の元素の組み合わせからなり、原子の価数を変化させて酸素の吸収および放出を行うものが好ましい。
また、複合酸化物が酸素放出能を有するために、多原子価を持つ元素が少なくとも１種含まれていることが好ましい。具体的には、Ｚｒ、Ｖ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｙｂ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕなどの遷移金属元素が少なくとも１種含まれていることが好ましい。酸素放出は、複合酸化物を構成する元素の価数の変化に応じて、電荷のバランスを保つために複合酸化物の格子中の酸素が脱離する現象である。このため、Ａｇとの組み合わせによる酸素放出能の観点から、上記遷移金属元素のうち、Ｃｅ、Ｚｒ、Ｐｒ、Ｌａ、およびＹが特に好ましい。また、構造安定性の観点から、価数変化がなくイオン半径の比較的大きなＬａ、Ｎｄ、Ｙ、Ｓｃ、Ｈｆ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａが含まれていることが好ましい。

また、酸素放出能の増加やＡｇの微細化の観点から、Ａｇは、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｐｔからなる群より選択される少なくとも１種の貴金属とともに上記複合酸化物に共担持されていることが好ましい。この場合、上記貴金属の添加量は、ＰＭ酸化触媒に対して０．１質量％〜３質量％と微量であることが好ましい。より好ましくは、０．５質量％〜２質量％である。０．５質量％より少ない場合は酸素放出能が低下し、２質量％より多い場合は貴金属と複合酸化物の相互作用が強くなる結果、Ａｇの担持効果が損なわれてしまうおそれがある。

ＰＭ酸化触媒の複合酸化物の調製方法は特に限定されないが、硝酸塩分解法、有機酸錯体重合法など従来公知の調製方法が好ましく用いられる。また、複合酸化物にＡｇおよび上記貴金属を共担持させる方法も特に限定されないが、含浸法や析出沈殿法などの従来高知の調製方法が好ましく用いられる。

ＮＯ_２生成触媒には、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈからなる群より選択される少なくとも１種の貴金属を、アルミナ、シリカ、チタニア、セリア、ジルコニアからなる群より選択される少なくとも１種の高比表面積担体に担持して構成されたものが用いられる。

図１に戻って、排気浄化装置３には、その上流側と下流側の差圧を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ５に送信する差圧センサ６が設けられている。ＥＣＵ５は、差圧センサ６の出力に応じたマップ値に基づいて、排気浄化装置３のＤＰＦに堆積しているＰＭの量であるＰＭ堆積量を推定する。

排気浄化装置３のＤＰＦに過剰な量のＰＭが堆積すると、排気の圧損が大きくなり燃費やエミッションが悪化するため、ＤＰＦに堆積したＰＭを除去し、ＤＰＦを再生するＤＰＦ再生制御を適宜実行する必要がある。このＤＰＦ再生制御は、例えば、ポスト噴射を実行し、排気浄化装置３の触媒コンバータにおける酸化反応を促進することでＤＰＦを昇温し、ＤＰＦに堆積したＰＭを燃焼させることで行われる。

図５は、ＥＣＵにより実行されるＤＰＦ再生制御の手順を模式的に示す図である。図５において、横軸は時間を示し、縦軸はＤＰＦのＰＭ堆積量を示す。
図５に示すように、車両の走行に応じて、ＤＰＦのＰＭ堆積量が増加する。ＥＣＵは、ＰＭ堆積量が所定のＰＭ堆積限界量を超えたことに応じてＤＰＦ再生制御を開始し、そしてこのＤＰＦ再生制御終了後のＤＰＦに所定のＰＭ残存量のＰＭが燃焼除去されずに残るように、上記開始したＤＰＦ再生制御を終了する。

図６は、Ａｇを含むＰＭ酸化触媒が塗布された本実施形態のＤＰＦにおけるＰＭの燃焼特性を模式的に示す図である。図６において、横軸はＤＰＦ再生制御を開始してから経過した時間（再生時間）を示し、縦軸はＤＰＦ再生制御を開始してから燃焼したＰＭの量の、ＤＰＦに堆積したＰＭの総量のうち燃焼した量の割合（ＰＭ燃焼率）を示す。
図６に示すように、本実施形態のＤＰＦは、再生初期の燃焼効率が特に高くなっており、再生後期よりも速やかにＰＭを燃焼することが可能となっている。これは、上述のようにＤＰＦに塗布されたＰＭ酸化触媒は、ＰＭとの接触性が良好である場合にはＰＭを効率的に燃焼できるためである。すなわち、再生初期には、ＰＭ酸化触媒に良好に接触したＰＭが、再生後期よりも多く含まれており、このＰＭが効率的に燃焼するためである。本実施形態では、上述のように、所定のＰＭ残存量のＰＭが燃焼除去されずに残るようにＤＰＦを部分再生することにより、再生初期のＰＭ酸化触媒に良好に接触したＰＭを効率的に燃焼する。

以下、ＤＰＦ再生制御の開始および終了の契機となるＰＭ堆積限界量およびＰＭ残存量の設定について説明する。

ＤＰＦに過剰な量のＰＭが堆積した状態でＤＰＦ再生制御を実行すると、再生制御の終了後、異常昇温をきたし、ＤＰＦが溶損する場合がある。このため、ＤＰＦ再生制御の開始の契機となるＰＭ堆積限界量は、少なくともこのＤＰＦのフィルタ体の材質に応じた耐熱限界量よりも小さな値に設定する必要がある。
また、ＤＰＦには、ＰＭの他、燃料やエンジンオイルに含まれる無機物が灰として僅かながらも徐々に堆積する。このような灰は、ＤＰＦ再生制御を実行しても燃焼除去できないため、保証距離に相当する分は必ず溜められるようにしておく必要がある。
また、ＤＰＦのＰＭ堆積量は、上述のように差圧センサの検出値に応じたマップ値に基づいて推定されるが、このＰＭ堆積量の推定値には誤差が含まれている。
したがって、ＰＭ堆積限界量は、以上のような不確定分を考慮して、図７に示すように、フィルタ体の材質に応じた耐熱限界量から、燃焼除去できない灰の保証距離に相当する堆積分と、ＰＭ堆積量の推定の誤差分とを除いて設定される。

ところで、ＰＭ残存量をゼロに近づけると、再生時間が長くなってしまうため燃費が悪化するおそれがある。また、逆にＰＭ残存量を大きくしＰＭ堆積限界量に近づけると、燃焼するＰＭの量が減るため再生時間は短くなるものの、ＤＰＦ再生制御を実行する頻度が増加してしまい、結果として燃費が悪化するおそれがある。そこで、このＰＭ残存量は、ＤＰＦ再生制御を繰り返し実行したときにおける総合的な燃費が最も小さくなるように、ＰＭ堆積限界量に応じて所定の試験を行うことにより最適な値に設定される。なお、このＰＭ残存量の最適値を探索する試験の手順については、後に詳細に説明する。

本実施形態によれば、以下の効果を奏する。
本実施形態では、ＰＭを捕集するＤＰＦとして、少なくともＡｇが担持されたＰＭ酸化触媒を有するものを用いた。このようなＤＰＦを用いた上で、本実施形態のＥＣＵは、ＤＰＦ再生制御終了後のＤＰＦに所定のＰＭ残存量のＰＭが燃焼除去されずに残るように、ＤＰＦ再生制御を終了する。これにより、堆積したＰＭのうちＰＭ酸化触媒との接触性が高く、少ない燃料で効率的に燃焼できる分だけを燃焼除去し、ＰＭ酸化触媒との接触性が低く、効率的に燃焼できない分を燃焼除去せずに残すことができる。したがって、本実施形態によれば、ＤＰＦ再生制御を実行する度に、堆積したＰＭの全てを完全に燃焼除去する場合と比較して、消費する燃料の量を大きく低減し、またエミッションを低減することもできる。
また、ＤＰＦを完全再生せず部分再生し、ＰＭを少ない燃料で効率的に燃焼除去することにより、ＤＰＦ再生制御の実行時間を短縮することもできる。その結果、ＤＰＦが高温にさらされる時間を短縮することができるので、ＤＰＦにかかる熱負荷を低減することができる。また、ＤＰＦにかかる熱負荷を低減する分、ＤＰＦの触媒の熱による劣化も小さくすることができるので、その分だけ触媒の貴金属量を減らすことができる。したがって、排気浄化システムのコストを低減することができる。

本実施形態では、ＤＰＦ再生制御を開始する契機となるＤＰＦのＰＭ堆積限界量を、ＤＰＦのフィルタ体に応じた耐熱限界量から、灰の堆積分とＰＭ堆積量の推定の誤差分とを除いて設定した。これにより、適切な時期にＤＰＦ再生制御が実行されず、ＤＰＦに実質的な限界を超えた量のＰＭが堆積するのを防止することができる。
本実施形態では、燃費が小さくなるように、ＰＭ堆積限界量に応じてＰＭ残存量を設定する。これにより、より確実に燃費を向上しかつエミッションを低減することができる。
本実施形態によれば、差圧センサの検出値に応じたマップ値に基づいて、ＤＰＦのＰＭ堆積量を推定することにより、ＤＰＦ再生制御を開始または終了する時期を、適切に判断することができる。

本実施形態では、酸化触媒を有する触媒コンバータの下流側にＤＰＦを設けた。これにより、ＤＰＦ再生制御の実行にあたり例えばポスト噴射を実行した場合には、噴射した燃料を触媒コンバータで酸化することができるので、その下流側のＤＰＦを速やかに昇温することができる。

本実施形態によれば、複合酸化物にＡｇを担持してＰＭ酸化触媒を構成することにより、活性種であるＡｇを、ＰＭとの接触界面に配置することができるため、ＰＭとの接触性を向上することができる。また、複合酸化物は耐熱性が高い。このような複合酸化物にＡｇを担持することにより、Ａｇの凝集および揮発を抑制できるので、ＰＭ酸化触媒の耐熱性を向上することができる。
また、酸素放出能を有する複合酸化物は、ＮＯ_２吸着能が高い。このため、同一のＤＰＦ上にＮＯ_２生成触媒と複合酸化物を含むＰＭ酸化触媒とを共存させることにより、生成したＮＯ_２が酸素放出能を有する複合酸化物の表面に吸着し、表面のＮＯ_２濃度を高く保つことができる。このため、ＡｇによるＮＯ_２とＰＭとの反応がさらに促進され、ＰＭの燃焼速度を向上することができる。したがって、ＤＰＦ再生制御にかかる時間をさらに短縮することができる。

本実施形態によれば、Ａｇとともに上述のような貴金属を共担持することにより、貴金属による酸素供給能の向上、および貴金属によるブロッキング効果により、Ａｇの微粒子化が可能となる。このため、複合酸化物の酸素放出能を大幅に向上することができ、ＰＭの燃焼性能をさらに向上することができる。

本実施形態によれば、上記貴金属を上記高比表面積担体に担持することにより、貴金属粒子を微細化することができるので、ＮＯを酸化する性能を向上することができる。また、上述のような高比表面積担体に貴金属を担持することにより、貴金属の凝集を抑制し、さらにサルファ被毒を抑制することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良などは本発明に含まれる。
上記実施形態では、ＤＰＦのＰＭ堆積量を、差圧センサの検出値に応じたマップ値に基づいて推定したが、これに限らない。エンジンから排出されるＰＭの量は、エンジンの回転数および燃料噴射量に相関があることから、これらエンジンの回転数および燃料噴射量に応じたマップ値に基づいてＤＰＦのＰＭ堆積量を推定してもよい。

次に本発明の実施例について説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

＜実施例１＞
実施例１の排気浄化装置のＤＰＦおよび触媒コンバータを作製するにあたり、以下に示す３種類の触媒Ａ，Ｂ，Ｃを調製した。
［触媒Ａの調製］
ＰＭ酸化触媒（酸素放出能を有する複合酸化物に銀を担持した触媒）である触媒Ａ（ＰｄＡｇ／ＣｅＺｒＯ_２）は、以下の手順で調製した。先ず、市販の高比表面積セリアジルコニア、硝酸銀、硝酸パラジウムおよびＨ_２Ｏを、所定の組成となるように秤量して混合した。次いで、これをエバポレータにて含浸担持し、その生成物を２００℃の下で１時間かけて乾燥させた後、７００℃の下で２時間かけて焼成し、粉末状の触媒Ａを調製した。
［触媒Ｂの調製］
ＮＯ_２生成触媒（ＮＯを酸化しＮＯ_２を生成する機能を有する触媒）である触媒Ｂ（ＰｔＰｄ／Ａｌ_２Ｏ_３）は、以下の手順で調製した。先ず、市販の特級試薬の硝酸パラジウム、硝酸白金、γアルミナおよびＨ_２Ｏを、所定の組成となるように秤量して混合した。次いで、これをエバポレータにて含浸担持し、その生成物を２００℃の下で１時間かけて乾燥させた後、５００℃の下で２時間かけて焼成し、粉末状の触媒Ｂを調製した。
［触媒Ｃの調製］
酸化触媒（ＨＣおよびＣＯを浄化する機能を有する触媒）である触媒Ｃ（Ｐｔ／Ａｌ_２Ｏ_３）は、以下の手順で調製した。先ず、市販の特級試薬の硝酸白金、γアルミナおよびＨ_２Ｏを、所定の組成となるように秤量して混合した。次いで、これをエバポレータにて含浸担持し、その生成物を２００℃の下で１時間かけて乾燥させた後、５００℃の下で２時間かけて焼成し、粉末状の触媒Ｂを調製した。

［ＤＰＦの作製］
上記触媒Ａ、触媒Ｂ、Ｈ_２Ｏ、ＳｉＯ_２ゾル、アルミナボールを容器に入れ、ボールミルで一晩かけて湿式粉砕することにより、触媒スラリーＡを得た。また、上記触媒Ｃ、Ｈ_２Ｏ、ＳｉＯゾル、アルミナボールを容器に入れ、ボールミルで一晩かけて湿式粉砕することにより、触媒スラリーＢを得た。
触媒スラリーＡを、ウォールフロータイプのフィルタ体（体積２Ｌ）のアウトレット面から所定の高さまで吸引担持した後、余分なスラリーを吸引除去した。次いで、これを２００℃の下で２時間かけて乾燥させた後、５００℃の下で２時間かけて焼成した。
次に、触媒スラリーＢを、上記フィルタ体のインレット面から所定の高さまで吸引担持した後、余分なスラリーを吸引除去した。次いで、これを２００℃の下で２時間かけて乾燥させた後、５００℃の下で２時間かけて焼成した。
［触媒コンバータの作製］
上記触媒Ｃ、Ｈ_２Ｏ、ＳｉＯ_２ゾル、アルミナボールを容器に入れ、ボールミルで一晩かけて湿式粉砕することにより、触媒スラリーＣを得た。
触媒スラリーＣに、コージェライト製のハニカム構造体（体積１Ｌ）を浸した後に引き上げ、余分なスラリーを除去した。次いで、これを２００℃の下で２時間かけて乾燥させた後、５００℃の下で２時間かけて焼成した。
なお、実施例１では、ＤＰＦおよび触媒コンバータを合わせた貴金属量が６ｇとなるように作製した。
［排気浄化装置の作製］
以上のように作製したＤＰＦと触媒コンバータを、上流側から触媒コンバータ、ＤＰＦとなるように、１つのケーシングに組み付けた。

＜比較例１＞
［ＤＰＦの作製］
実施例１の触媒スラリーＣに、実施例１と同じフィルタ体を浸した後に引き上げ、余分なスラリーを除去した。次いで、これを２００℃の下で２時間かけて乾燥させた後、５００℃の下で２時間かけて焼成した。
［触媒コンバータの作製］
実施例１の触媒スラリーＣに、実施例１と同じハニカム構造体を浸した後に引き上げ、余分なスラリーを除去した。次いで、これを２００℃の下で２時間かけて乾燥させた後、５００℃の下で２時間かけて焼成した。
なお、比較例１では、実施例１と同様に、ＤＰＦおよび触媒コンバータを合わせた貴金属量が６ｇとなるように作製した。
［排気浄化装置の作製］
以上のように作製したＤＰＦと触媒コンバータを、上流側から触媒コンバータ、ＤＰＦとなるように、１つのケーシングに組み付けた。

＜比較例２＞
比較例２の排気浄化装置の作製は、ＤＰＦおよび触媒コンバータを合わせた貴金属量が３ｇとなるように作製した点以外は、比較例１と同じである。

以上の手順で準備した実施例１および比較例１、２の排気浄化装置の構成は、下記表のようにまとめられる。
以下では、以上のようにして準備した実施例１および比較例１、２の排気浄化装置を用いて行った評価試験１〜３および部分再生におけるＰＭ残存量の設定試験の結果について説明する。なお、以下に示す試験では、エンジンとして２．２Ｌのディーゼルエンジンを用いた。また、ＤＰＦ再生制御では、エンジン回転数を２５００ｒｐｍとし、燃料噴射量

＜評価試験１＞
後に評価試験２で検証されるように、本発明では、ＤＰＦを部分再生することにより再生時間を短縮することができるので、ＤＰＦおよび触媒コンバータに生涯に亘ってかかる熱負荷を小さくすることができる。そこで、評価試験１では、熱負荷を軽減することによる効果を検証する。より具体的には、実施例１および比較例１、２の排気浄化装置にエアエージングを行い、意図的に熱負荷をかけた後、これら排気浄化装置のＨＣ浄化率を測定した。

この評価試験１では、ＤＰＦを部分再生することにより、再生時間が半分にできるものと仮定して、実施例１および比較例１、２の排気浄化装置に対し再生時間に応じた長さでエアエージングを行い、熱負荷をかけた。より具体的には、比較例１、２の排気浄化装置に対しては、７００℃の下で３０時間かけてエアエージングを行い、実施例１の排気浄化装置に対しては、７００℃の下で２０時間かけてエアエージングを行った。
図８は、熱負荷の内訳を模式的に示す図である。比較例１、２の排気浄化装置に対してかけた７００℃×３０時間分の熱負荷のうち、７００℃×１０時間分の熱負荷は通常運転を行うことでかかる分であり、残りの７００℃×２０時間分はＤＰＦ再生制御を行うことでかかる分である。これに対し、実施例１の排気浄化装置に対しては、再生時間を半分にすることにより、かかる熱負荷を７００℃×１０時間分だけ小さくすることができる。

図９は、熱負荷をかけた後の実施例１および比較例１、２の排気浄化装置のＨＣ浄化率と、その貴金属量との関係を示す図である。なお、ＨＣ浄化率は、欧州のＮＥＤＣモードで測定した。
図９において、比較例１と比較例２とを比較すると分かるように、貴金属量を６［ｇ］から３［ｇ］にすると、ＨＣ浄化率も７８［％］から５８［％］まで低下する。一方、比較例１と実施例１とを比較すると分かるように、貴金属量は同じであるにもかかわらず熱負荷を小さくすると、ＨＣ浄化率は７８［％］から８５［％］まで上昇する。この熱負荷の軽減分は、図９に示すように、貴金属量０．８４［ｇ］に相当する。したがって、以上より、ＤＰＦを部分再生し再生時間を短縮することにより、排気浄化装置にかかる熱負荷を軽減するとともに、貴金属量も低減できることが検証された。

＜評価試験２＞
評価試験２では、ＤＰＦの再生にかかる時間を実施例１と比較例１とで比較した。
図１０は、評価試験２の結果を示す図であり、ＤＰＦの再生にかかった時間を実施例１と比較例１とで比較する図である。
図１０において、横軸はＤＰＦ再生制御を開始してから経過した時間（再生時間［分］）を示し、縦軸はＤＰＦに堆積したＰＭの総量のうち燃焼した量の割合（ＰＭ燃焼率［％］）を示す。図１０に示すように、比較例１ではＰＭが全て燃焼しＤＰＦの再生が完了するまで約２０［分］かかったのに対し、実施例１では約１１．５［分］でＤＰＦの再生が完了した。また、実施例１と比較例１とでは、再生後期におけるＰＭの燃焼速度がほぼ同じであることから、上述のＤＰＦの再生が完了するまでにかかる時間の差は、再生初期におけるＰＭの燃焼速度の差に大きく起因するものと考えられる。
したがって、この評価試験２により、酸素放出能を有する複合酸化物にＡｇを担持したＰＭ酸化触媒を用いることで再生初期のＰＭの燃焼速度を速くできる点と、ＤＰＦの再生にかかる時間を短縮できる点とが検証された。

図１１は、評価試験２の結果を示す図であり、実施例１のＰＭ残存率［％］と時間短縮率［％］との関係を示す図である。横軸のＰＭ残存率は、実施例１のＤＰＦを部分再生したときにおけるＰＭ残存量の、ＤＰＦ再生制御開始時におけるＰＭ総堆積量に対する割合を示す。縦軸の時間短縮率［％］は、実施例１のＤＰＦの部分再生の短縮時間（比較例１のＤＰＦの完全再生にかかった時間−実施例１のＤＰＦの部分再生にかかった時間）の、比較例１のＤＰＦの完全再生にかかった時間に対する割合を示す。
図１１に示すように、ＰＭ残存率が大きい領域における時間短縮率の傾きは、ＰＭ残存率が小さい領域における時間短縮率の傾きより小さい。したがって、ＤＰＦを完全再生するよりも、部分再生する方が、ＰＭを効率的に燃焼できることが検証された。

＜部分再生におけるＰＭ残存量の設定試験＞
この設定試験では、実施例１の排気浄化装置に対し、種々の条件下で繰り返し部分再生を行うことにより、上記実施形態で説明した部分再生におけるＰＭ残存量の最適値を探索する。
図１２は、所定の再生インターバルごとに、所定のＰＭ残存量で部分再生した場合におけるＰＭ堆積量の変化を示す図である。
エンジンを所定の運転条件で運転しながら、部分再生を実行する周期である再生インターバルと、部分再生におけるＰＭ残存量と、を固定して繰り返し部分再生を実行すると、図１２中破線で示すようにＰＭ堆積量の最大値は所定の値に収束する。本設定試験では、このＰＭ堆積量の最大値をＰＭ飽和堆積量と定義し、このＰＭ飽和堆積量を再生インターバルおよびＰＭ残存量の組み合わせごとに測定する。

図１３は、ＰＭ残存量とＰＭ飽和堆積量との関係を再生インターバルごとに示す図である。図１３には、再生インターバルを８００、１０００、１２００「ｋｍ」とした場合におけるＰＭ残存量とＰＭ飽和堆積量との関係を示す。なお、再生インターバルは距離の単位であるが、エンジンを一定の運転条件の下で運転したので、部分再生を終了してから再び開始するまでの間に排出されＤＰＦに捕集されるＰＭの量［ｇ］の単位に換算することもできる。ＰＭの量の単位に換算した場合、上記再生インターバルは、それぞれ８、１０、１２［ｇ］となる。

図１３に示すように、再生インターバルを長くするとＰＭ飽和堆積量は大きくなる傾向がある。また、ＰＭ残存量を大きくするとその分再生時間が短くなるもののＰＭ飽和堆積量も大きくなる。
ここで、図１３中、太破線で示すように、ＰＭ堆積限界量を例えば１２［ｇ］に設定したと仮定する。ＰＭ堆積限界量は、上記実施形態で説明したように、ＤＰＦ再生制御を開始する契機となるＰＭ堆積量に対する閾値である。したがって、ＰＭ飽和堆積量がこのＰＭ堆積限界量を上回らないように、再生インターバルごとにＰＭ残存量の上限値が算出される。例えば、再生インターバルが８００ｋｍである場合、ＰＭ飽和堆積量がＰＭ堆積限界量を上回らないようにするには、ＰＭ残存量を約５．８［ｇ］に設定する必要があり、再生インターバルが１０００ｋｍである場合、ＰＭ残存量を約４．３［ｇ］に設定する必要があり、再生インターバルが１２００ｋｍである場合、ＰＭ残存量を０［ｇ］、すなわち完全再生する必要がある。以上のようにして、再生インターバルごとに最適なＰＭ残存量が算出される。

図１４は、再生インターバルごとの再生時間と、燃費低減率とを示す図である。ここで、再生時間とは、１回の部分再生にかかる時間を示し、燃費低減率とは、再生インターバルを１２００ｋｍとし上述のように完全再生した場合における燃費を基準とした燃費の割合を示す。図１４中、破線で示すように、再生インターバルを短くするに従い、再生時間は短くなる。しかしながら、単に１回当りの部分再生にかかる時間を短くしただけでは再生頻度が多くなる。このため、再生インターバルが１２００ｋｍの場合と８００ｋｍの場合とを比較して分かるように、再生インターバルを短くしすぎると逆に燃費が悪化し、エミッションも増えてしまう。しかしながら、再生インターバルが１２００ｋｍから８００ｋｍの間で、図１４に示す例では、再生インターバルが１０００ｋｍ付近で最も燃費が小さくなる。したがって、以上の試験結果によれば、ＰＭ堆積限界量を１２［ｇ］とした場合、再生インターバルが１０００ｋｍで部分再生した場合、最も良い燃費で部分再生を繰り返し実行できる。また、図１３を参照して説明したように、再生インターバルを１０００ｋｍとした場合、ＰＭ飽和堆積量がＰＭ堆積限界量を上回らないようにするには、ＰＭ残存量を４．３［ｇ］に設定する必要があることから、ＰＭ残存量の最適値は４．３［ｇ］となる。

＜評価試験３＞
評価試験３では、上述の図１２と同様の手順で実施例１の排気浄化装置に対し、繰り返し部分再生を行い、そのときのＤＰＦの圧損を測定した。
図１５は、４回に亘り部分再生を行ったときにおけるＤＰＦの圧損を示す図である。横軸は、部分再生を開始してから経過した時間を示す。図１５に示すように、部分再生を開始するとＰＭが燃焼するため、圧損が徐々に低下する。また、１回目の部分再生実行時における圧損が最も高く、２〜４回目の部分再生実行時における圧損はほぼ同じ値を推移した。この１回目の部分再生実行時と２〜４回目の部分再生実行時の圧損の差は、２回目以降の部分再生実行時には、ＤＰＦの細孔内にＰＭが溜まっていないことによるものと考えられる。

すなわち、ＰＭが堆積していない状態からＤＰＦでＰＭを捕集すると、先ずＤＰＦの細孔内にＰＭが溜まり、その後ＰＭはＤＰＦの表面に層状に堆積してゆく。ここで、１回目の部分再生を実行すると、ＰＭ酸化触媒と最も接触性の高い細孔内に溜まったＰＭから燃焼し、その後ＤＰＦの表面側から設定されたＰＭ残存量に応じた分のＰＭが燃焼する。したがって、１回目の部分再生が完了した直後は、ＰＭ層とＤＰＦの表面との間には隙間ができるが、この隙間は２回目の部分再生を開始するまでの間に排気の圧力でＰＭ層が押し付けられることにより埋まるものと考えられる。そして、２回目の部分再生を開始したときには、ＰＭはＤＰＦのＰＭ酸化触媒と接触しており、これにより再び、効率的な部分再生が可能となる。なお２回目の部分再生を開始するとき、ＤＰＦの細孔内に溜まるＰＭの量は僅かであると考えられるが、部分再生時に燃焼するＰＭの量は４〜６［ｇ］に対し、細孔内に溜められるＰＭの量は高々１［ｇ］程度であるため、全体的な再生効率に対する影響は少ないものと考えられる。以上により、効率的に部分再生を繰り返し実行できることが検証された。

１…エンジン（内燃機関、再生制御手段）
２…排気浄化システム
３…排気浄化装置
３１…触媒コンバータ
３２…ＤＰＦ（フィルタ）
４…排気管（排気通路）
５…ＥＣＵ（堆積量推定手段、再生制御手段）
６…差圧センサ（堆積量推定手段）

Claims (5)

1. 内燃機関の排気に含まれる粒子状物質を捕集するフィルタを備えた排気浄化装置と、
   前記フィルタを昇温し当該フィルタに堆積した粒子状物質を燃焼除去するフィルタ再生制御を実行する再生制御手段と、
   前記フィルタに堆積している粒子状物質の量である粒子状物質堆積量を推定する堆積量推定手段と、を備える内燃機関の排気浄化システムであって、
   前記フィルタは、少なくともＡｇが担持された粒子状物質酸化触媒及び排気中のＮＯからＮＯ_２を生成するＮＯ_２生成触媒を有し、
   前記再生制御手段は、前記推定された粒子状物質堆積量が前記フィルタの所定の堆積限界量を超えたことに応じて前記フィルタ再生制御を開始し、当該フィルタ再生制御終了後のフィルタに所定の残存量の粒子状物質が燃焼除去されずに残るように、前記開始したフィルタ再生制御を終了し、
   前記粒子状物質酸化触媒は、ＣｅＺｒＯ _２ にＲｕ、Ｐｄ、Ｐｔからなる群より選択される少なくとも１種の貴金属と、Ａｇとを共担持して構成され、
   前記ＮＯ _２ 生成触媒は、Ａｌ _２ Ｏ _３ にＰｔ、Ｐｄ、Ｒｈからなる群より選択される少なくとも１種の貴金属を担持して構成され、
   前記フィルタの表面には前記粒子状物質酸化触媒と前記ＮＯ_２生成触媒とを混合した触媒が設けられ、
   前記粒子状物質酸化触媒における貴金属の添加量は、当該粒子状物質酸化触媒の全体に対して３質量％以下であることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
2. 前記堆積限界量は、前記フィルタの基材に応じた限界量から、燃焼除去できない灰の堆積分と、前記堆積量推定手段による粒子状物質堆積量の推定の誤差分とを除いて設定され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システム。
3. 前記残存量は、燃費が小さくなるように前記堆積限界量に応じて設定されることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化システム。
4. 前記堆積量推定手段は、前記内燃機関の回転数および燃料噴射量に応じたマップ値、または前記フィルタの上流側と下流側の差圧に応じたマップ値に基づいて、前記フィルタの粒子状物質堆積量を推定することを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システム。
5. 前記フィルタは、別々に調製された粒子状物質酸化触媒及びＮＯ _２ 生成触媒を混合して得られる触媒スラリーをウォールフローのフィルタ体に担持させることによって製造されることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システム。

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