排気温度制御装置
【課題】本発明は、燃費を低下させることなくＤＰＦや酸化触媒の過昇温を防止することのできる制御が容易でかつ構造が簡素である排気温度制御装置を提供することを課題とする。
【解決手段】 本発明の排気温度制御装置１は、排気通路内を流通する排気を浄化する排気浄化触媒１６と、排気浄化触媒１６より上流に窒素富化空気ＡOを供給する窒素富化空気供給手段１８と、排気通路１２内へ燃料Ｆを供給する燃料供給手段２０とを備えることを特徴とする。ここで、排気浄化触媒１６は、三元触媒または触媒付ＤＰＦとすることができる。また、窒素富化空気供給手段１８は、吸気通路２２から分岐し排気通路１２の排気浄化触媒１６より上流で合流する窒素富化空気流路２４と、吸入空気Ａを加圧して加圧空気とする加圧手段Ｐと、この加圧空気の気体成分を分離して加圧空気を窒素富化空気ＡNとする成分分離手段２６と、窒素富化空気ＡNの排気通路１２への流入を制御する制御弁２８とを備える。
【解決手段】 本発明の排気温度制御装置１は、排気通路内を流通する排気を浄化する排気浄化触媒１６と、排気浄化触媒１６より上流に窒素富化空気ＡOを供給する窒素富化空気供給手段１８と、排気通路１２内へ燃料Ｆを供給する燃料供給手段２０とを備えることを特徴とする。ここで、排気浄化触媒１６は、三元触媒または触媒付ＤＰＦとすることができる。また、窒素富化空気供給手段１８は、吸気通路２２から分岐し排気通路１２の排気浄化触媒１６より上流で合流する窒素富化空気流路２４と、吸入空気Ａを加圧して加圧空気とする加圧手段Ｐと、この加圧空気の気体成分を分離して加圧空気を窒素富化空気ＡNとする成分分離手段２６と、窒素富化空気ＡNの排気通路１２への流入を制御する制御弁２８とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車等に搭載される内燃機関の排気を浄化する技術に関し、特に内燃機関の排気通路に設けられた触媒やＤＰＦの過昇温を防止する排気温度制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車に搭載される内燃機関では、排気中に含まれる有害ガス成分を十分に浄化した上で大気中に放出することが要求されている。このような要求に対し、内燃機関の排気通路に排気浄化触媒を設け、その排気浄化触媒によって排気中に含まれる有害ガス成分を浄化する技術が提案されている。
【０００３】
浄化触媒としては、例えば、三元触媒、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒、酸化触媒、触媒付ＤＰＦもしくは、これらの排気浄化触媒を適宜組み合わせてなる排気浄化触媒など、多種多様の排気浄化触媒が開発されている。
【０００４】
上記した排気浄化触媒は、いずれも所定温度以上で活性して排気中の有害ガス成分を浄化することが可能となるため、排気に燃料を添加して燃焼させることにより触媒反応を活性化している。例えば、ディーゼルエンジンでは排気中に含まれる煤などのＰＭ（パティキュレイトマター：粒子状物質）を捕捉するために酸化触媒付きのＤＰＦ（パティキュレイトフィルタ）が排気通路中に装備されているが、特許文献１には排気中に燃料を添加してＤＰＦの内部温度を高めることでＰＭを燃焼除去してＤＰＦを再生させることが提案されている。
【０００５】
しかし、触媒反応が活性化して過昇温となりＤＰＦが溶損したり、触媒の劣化や破損を惹起するおそれがある。この過昇温を防止するために、筒内に過剰に燃料を噴霧して気化熱で過昇温を防止することが行われているが、この場合には燃費が悪化するという欠点がある。
【特許文献１】特開２００４−３１６４４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記のような問題に鑑みてなされたもので、燃費を低下させることなくＤＰＦや酸化触媒の過昇温を防止することのできる制御が容易でかつ構造が簡素である排気温度制御装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、上記の問題を解決するために、排気中の酸素濃度を低下させることに着目した。通常のディーゼルエンジンの運転状態においては、ＰＭが自己燃焼するほど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の量のセリウムなどの希土類元素を添加してなる酸化触媒を一体的に担持させた触媒再生型のＤＰＦの実用化が進められている。一般的にディーゼルエンジンから排出されるＰＭは触媒床温度（ＤＰＦの内部温度）を約６００℃以上（ｔ１）に上昇させることで燃焼除去することができるが、エンジンの運転状態や添加燃料の添加量によってはＤＰＦの内部温度が上昇し過ぎて（過昇温という）ある温度（ｔ２：例えば、１０００℃）を越えるとＤＰＦが溶損することがある。このためＤＰＦの内部温度ｔは、ｔ１＜ｔ＜ｔ２に制御しなければならない。
【０００８】
図２は、このような酸化触媒付ＤＰＦ（以後、単にＤＰＦという）の再生運転におけるＤＰＦの内部温度と排気中の窒素濃度との関係を示すグラフを概念的に示した一例である。通常排気中の窒素濃度は約８０％（以後、特に断らない限り％は体積％である）であるが、この場合にＤＰＦの内部温度が溶損を開始するおそれのあるほど高い温度であっても、図２から排気中の窒素濃度を約５％増加させることで７００℃近傍に、また、１０％増加させれば、６００℃付近にまでＤＰＦの内部温度を低下させうることが分かる。
【０００９】
また、ガソリンエンジンにおける排気浄化触媒である三元触媒は、排気中の未燃焼炭化水素や一酸化炭素などを燃焼して水と炭酸ガスとに無害化するが、例えば、触媒の内部温度が９００℃を越えると触媒の劣化が始まり排気中の有害物質を効果的に無害化することができなくなる。従って、触媒の内部温度を９００℃以下に維持しなければならない。図７は三元触媒の内部温度と窒素濃度との関係を概念的に示したものであり、図２と同様に排気中の窒素濃度を高めることにより触媒の内部温度を低下できることを示している。
【００１０】
本発明は、このような知見に基づいてなされたもので、排気中の窒素濃度を高くすることにより、ＤＰＦや三元触媒などの排気浄化触媒の過昇温による破損や劣化を防止しようとするものである。
【００１１】
本発明の排気温度制御装置は、内燃機関に接続された排気通路と、この排気通路に介装され、排気通路内を流通する排気を浄化する排気浄化触媒と、排気通路において排気浄化触媒より上流に窒素富化空気を供給する窒素富化空気供給手段と、排気浄化触媒より上流の排気通路内へ燃料を供給する燃料供給手段とを備えることを特徴とする。ここで、排気浄化触媒は、三元触媒または触媒付ＤＰＦとすることができる。
【００１２】
このように構成された本発明の排気温度制御装置では、排気浄化触媒の内部温度を降下する必要がある場合には、窒素富化空気が排気浄化触媒に供給されることになる。窒素富化空気が排気浄化触媒に供給されると、供給された空気は窒素濃度が高いので排気浄化触媒における触媒反応が抑制され過昇温を防止することができる。この結果、排気浄化触媒の触媒劣化やＤＰＦの溶損を回避することができる。
【００１３】
本発明の排気温度制御装置において、窒素富化空気供給手段は、内燃機関に接続された吸気通路から分岐し排気通路の排気浄化触媒より上流の部位で合流する窒素富化空気流路と、この窒素富化空気流路に介装され、吸気通路から空気を吸入し吸入空気を加圧して加圧空気とする加圧手段と、この加圧空気の気体成分を分離して加圧空気を窒素富化空気とする成分分離手段と、成分分離手段の下流に配置され窒素富化空気の排気通路への流入を制御する制御弁とを備えることが望ましい。
【００１４】
このように構成された窒素富化空気供給手段では、窒素富化空気を必要に応じて即座に排気浄化触媒に供給することができるので触媒内部の温度を容易に下げることができる。
【００１５】
本発明の排気温度制御装置においては、成分分離手段に空気中の酸素または窒素のいずれかを選択的に透過するゼオライト膜を備えている。ゼオライト膜はその細孔径を選択することで分子の大きさにより気体成分を分離する分子ふるいとしての機能を有しており、ゼオライト膜を介して酸素富化空気と窒素富化空気とを造ることができる。
【００１６】
また、ゼオライト膜は気体成分によって異なる吸着特性を有する。すなわち、空気中の窒素と酸素とではゼオライトへの吸着特性は大きく異なり、ゼオライト膜へ流入する空気の圧力を増加するとゼオライトへの窒素吸着量は飛躍的に増大するが、酸素の吸着量の増加は非常に小さい。つまり、空気を加圧することでゼオライト膜により酸素富化空気と窒素富化空気とを得ることができる。
【００１７】
さらに、成分分離手段はゼオライト膜を有するハニカム構造体であるので、単位体積当たりの気体成分の分離効率が高いので、窒素富化空気供給手段を極めてコンパクトにすることができる。
【００１８】
また、ハニカム構造体のセル密度は４００〜９００個／ｉｎｃｈ2であることが好ましい。ハニカム構造体のセル密度をこのような範囲とすることで、透過面積が大きく、かつ空気の圧力損失の少ない成分分離手段とすることができる。
【００１９】
ゼオライト膜は孔径が０．３５〜０．７ｎｍの細孔を有することが望ましい。このような細孔径のゼオライト膜により空気中の酸素と窒素とを効率よく分離して窒素濃度の高い窒素富化空気を得ることができる。
【００２０】
また、ゼオライト膜を支持しハニカム構造体を形成する基材は、多孔質のセラミックであることが望ましく、中でも、コージュライトが好適である。コージェライトは良好な成形性を有し、原料の配合や焼成方法などにより容易に所望の通気性や強度を得ることができかつ安価であるので優れた基材である。
【００２１】
このような基材は、径が１０〜５０μｍの細孔を有することが望ましい。径が１０〜５０μｍの細孔とすることで空気の圧力損失が小さくかつ所定の強度を有するハニカム構造体を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下本発明の好適な実施の形態を図に基づいて説明する。
【００２３】
（第１の実施の形態）
図１に本発明の第１の実施の形態である排気温度制御装置１の概略構成を示す。図１は、排気温度制御装置１を装着したディーゼルエンジンの一例である。本発明の排気温度制御装置１は、内燃機関Ｅ１に接続された排気通路１２と、この排気通路１２に介装され、排気通路内を流通する排気を浄化する排気浄化触媒（ここでは、排気Ｇ0中に含まれるＰＭ（粒子状物質）、すなわち、炭素質からなる煤と、高沸点炭化水素成分からなる可溶性有機成分とを主成分とし、更に微量のミスト状硫酸成分を含んだ組成物を捕捉する触媒付ＤＰＦ）１６と、排気通路１２においてこのＤＰＦ１６より上流に窒素富化空気ＡNを供給する窒素富化空気供給手段１８と、ＤＰＦ１６より上流の排気通路内へ燃料Ｆを供給する燃料供給手段２０とを備える。
【００２４】
そして、窒素富化空気供給手段１８は、内燃機関Ｅ１に接続された吸気通路２２の部位１８ａで分岐し排気通路１２のＤＰＦ１６より上流の部位１８ｂで合流する窒素富化空気流路２４と、この窒素富化空気流路２４に介装され、吸気通路２２から空気Ａを吸入しこの吸入空気Ａを加圧して加圧空気Ａとする加圧手段Ｐと、この加圧空気Ａの気体成分を分離して加圧空気Ａを窒素富化空気ＡNとする成分分離手段２６とを備えている。成分分離手段２６は窒素富化空気流路２４に開口する掃気通路３４に配置されており酸素富化空気ＡOを外部へ放出できるようになっている。また、成分分離手段２６の下流には、窒素富化空気ＡNの排気通路１２への流入を制御する制御弁２８が設けられている。
【００２５】
なお、図中、３はシリンダ、５はピストン、７は燃焼室、９は燃料インジェクタ、１１は吸気弁、１５は排気弁である。また、１７はＤＰＦ１６から流出する排気Ｇ1の温度を測定する温度センサである。
【００２６】
温度センサ１７は制御手段３２に接続されており、排気Ｇ1の温度測定結果を入力情報として制御手段３２のＥＣＵなどへ入力する。このような制御手段３２は、上記の測定結果の他に冷却水の温度Ｔ１やエンジンオイルの温度Ｔ２などを入力情報として、所定の演算処理により制御弁２８の開閉や加圧手段Ｐ（ポンプ）のＯＮ・ＯＦＦなどの動作を指示して排気Ｇ1の温度を制御する。
【００２７】
ここで、ＤＰＦ１６は、後述するウォールスルー型のコージェライトなどのセラミック基材の表面に、アルミナに白金を担持させたものに適宜の量のセリウムなどの希土類元素を添加してなる酸化触媒を一体的に担持させた触媒再生型のＤＰＦを例示することができる。
【００２８】
以上のような構成を持つ本発明の排気温度制御装置１によれば、吸入空気Ａは加圧手段であるポンプＰによって窒素富化空気流路２４へ流入し加圧されて成分分離手段２６へ流入する。成分分離手段２６はゼオライト膜側を加圧空気Ａと接触するように掃気通路３４に配置されているので、窒素は窒素富化流路２４内に富化され、酸素富化空気ＡOは外部へ放出される。このようにして得られた窒素富化空気ＡNは必要に応じて制御弁２８を開弁することで排気通路１２へ供給される。排気通路１２へ供給された窒素富化空気ＡNは、ＤＰＦ１６へ流入してＰＭなどの燃焼を抑制し、ＤＰＦの過昇温を防止する。
【００２９】
このような本発明の排気温度制御装置１によれば、ＤＰＦの再生運転中に排気中の窒素濃度を高めることでＰＭの過剰な燃焼を抑制しＤＰＦの過昇温による溶損を回避することができる。
【００３０】
なお、窒素富化空気ＡNの窒素濃度は加圧手段Ｐの加圧力に比例して増加させることができるが、８５〜１００％であることが望ましい。窒素濃度が８５％未満では効果的にＰＭの燃焼を抑制することができない。
【００３１】
次に、窒素富化空気供給手段１８の成分分離手段２６について図３および図４を参照しながら詳細に説明する。
【００３２】
成分分離手段２６は、図３（ａ）に示すように外殻５２と多数のセル５４とを一体的に形成したハニカム構造体Ｈである。
【００３３】
図３（ｂ）はハニカム構造体Ｈの軸方向の部分断面を模式的に示したものである。ハニカム状に形成された各セル５４は、その一端側を封止し他端側は開口のままとして、ハニカム構造Ｈの端面Ｘにおいて、各セル５４の封止部５６と開口部５８とが千鳥状に交互に並列するように形成されている。つまり、ハニカム構造体Ｈは、各セル５４の封止部５６によってハニカム構造体Ｈの一端Ｘ側から他端Ｘ’側への空気の自由な流通を阻止するように形成されているウォールスルー型の構造体である。
【００３４】
ハニカム構造体Ｈのセル５４は、図３（ｃ）に示すように、正方形（ア）、六角形（イ）、三角形（ウ）など適宜の形状とすることができるが、端面Ｘ、Ｘ’におけるセル密度は、４００〜９００個／ｉｎｃｈ2（６２〜１４０個／ｃｍ2）であることが望ましい。セル密度が４００個／ｉｎｃｈ2未満では、酸素分子の透過面積が不十分であり成分分離手段を小型化できない。また、９００個／ｉｎｃｈ2を越えると流通する空気の圧力損失が大きくなるので好ましくない。より好ましくは４００〜６００個／ｉｎｃｈ2（６２〜９３個／ｃｍ2）である。
【００３５】
このようなハニカム構造体Ｈにおいて、セル隔壁６０の厚さは０．０５〜１．０ｍｍであることが望ましい。セル隔壁６０の厚さが０．０５ｍｍ未満では強度的に不十分であり、また１．０ｍｍを越えて厚い場合には、同じ表面積を得るためにはハニカム構造体Ｈが大きく重くなるので適当ではない。
【００３６】
図３（ｂ）に示すように、ハニカム構造体Ｈの隔壁６０の表面には、加圧空気Ａ中の酸素分子Ｏ2を選択的に透過して分離するゼオライト膜６２が基材（以後、隔壁と称することもある）６０と一体的に形成されている。ゼオライト膜６２は加圧空気Ａの流れに対して隔壁６０の上流側に形成されており、ゼオライト膜６２を透過した酸素分子Ｏ2は多孔質の基材からなる隔壁６０の通孔を通ってハニカム構造体Ｈの下流側に富化され、ゼオライト膜６２を透過できない窒素分子Ｎ2は上流側に富化される。
【００３７】
ゼオライト膜６２は、耐熱性の高い分子ふるい膜である。ゼオライトは分子サイズの細孔径を有した結晶性無機酸化物であり、細孔径を選択することで分子径の異なる気体成分を選別することができる。
【００３８】
図４は、ゼオライトの分子ふるい膜６２で空気中の酸素分子Ｏ２と窒素分子Ｎ２とを分離する様子を概念的に示したものである。空気中には酸素Ｏ２、窒素Ｎ２、二酸化炭素ＣＯ２、水蒸気Ｈ２Ｏなど多くの気体成分が混在している。ところが、これらの各気体成分は分子レベルで大きさが異なり、周知のようにその分子径は、水蒸気＜二酸化炭素＜酸素＜窒素の順に大きい。酸素の分子径は約０．３５ｎｍであり窒素のそれは０．３７ｎｍである。従って、分子ふるい膜（ゼオライト膜）６２の細孔径を酸素の分子径よりも大きく、かつ窒素の分子径よりも小さくすることにより、酸素のみを透過して窒素と分離し、ゼオライト膜６２の出側の空気を酸素富化空気ＡOに、また、入り側の空気を窒素富化空気ＡNとすることができる。酸素の透過効率などを考慮すると、具体的にはこの分子ふるい（ゼオライト膜）６２の細孔径は０．３５〜０．７ｎｍであることが望ましく、より好ましくは０．３５〜０．３７ｎｍである。
【００３９】
このようなゼオライト膜６２の厚さは０．１〜１００μｍであることが望ましい。膜厚が０．１μｍ未満では強度不足やピンホール等の欠陥が発生することがあり、また、１００μｍを越えると透過するための圧力差が大きくなって適当ではない。より好ましくは１〜５０μｍである。
【００４０】
上記のように、多孔質の基材表面に一体的に形成した透過膜により、加圧空気Ａ中の窒素を富化することができる。従って、基材は、透過膜の透過性を阻害しない程度の多孔質体であることが望ましい。このような多孔質体の材質は特に限定はなく、金属、金属酸化物などのセラミックス、カーボンおよび有機ポリマなどを用いることができる。強度や剛直性の観点からは、金属及び金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物などのセラミックスが好ましく、ゼオライト膜との熱膨張率の差が少ないこと、あるいはゼオライト膜との親和性が高いこと等を考慮すると金属としては、ステンレス製の燒結金属、金属酸化物としてはアルミナ、ジルコニア、シリカ、ムライト、コージェライト、チタニア、ゼオライトまたはゼオライト類似物等を挙げることができる。中でも、多孔質のセラミックであるコージェライトは良好な成形性を有し、原料の配合や焼成方法などにより容易に所望の通気性（通孔径や通孔密度など）や強度を得ることができるので好適である。このような多孔質体の平均通孔径は１００μｍ以下が強度的に好ましく、更に好ましくは５０μｍ以下である。
【００４１】
以上のような第１の実施の形態の排気温度制御装置１は、制御手段（以後、ＥＣＵという）３２により図５のフローチャートに示すように排気Ｇ1の温度を制御してＤＰＦ１６を再生することができる。
【００４２】
制御手段３２（以後、ＥＣＵという）は排気の圧力上昇により運転モードを通常モードからＤＰＦ再生モードに切り替える（ステップＳ１）。続いて燃料Ｆを排気Ｇ0に添加する（ステップＳ２）。燃料ＦはＤＰＦ内で触媒反応により燃焼して排気Ｇ1の温度を上昇させる。ＥＣＵは温度センサ１７によるＤＰＦから流出する排気Ｇ1の温度情報（ステップＳ３）から、排気Ｇ1の温度がＰＭの燃焼温度（例えば、６００℃）以上であるか否かを判定する（ステップＳ４）。排気Ｇ1の温度がＰＭの燃焼温度以上であると判定した場合には（ステップＳ４でＹＥＳ）、ＥＣＵはステップＳ５に進んで、さらに排気Ｇ1の温度がＤＰＦの溶損温度（例えば、１０００℃）以上であるか否かを判定する。なお、ステップＳ４で排気Ｇ1の温度がＰＭの燃焼温度未満であると判定した場合には（ステップＳ４でＮＯ）、ステップＳ２へ戻って、更に燃料Ｆを排気Ｇ0へ添加する。
【００４３】
ＥＣＵはステップＳ５で排気Ｇ1の温度がＤＰＦの溶損温度以上であると判定した場合には（ステップＳ５でＹＥＳ）、ステップＳ６で排気Ｇ0への燃料Ｆの添加を停止する。一方、排気Ｇ1の温度がＤＰＦの溶損温度未満であると判定した場合には（ステップＳ５でＮＯ：排気Ｇ1の温度はＰＭ燃焼温度以上でＤＰＦの溶損温度未満）、ステップＳ３へ戻る。
【００４４】
ＥＣＵはステップＳ６で排気Ｇ0への燃料Ｆの添加を停止したら、ポンプＰを駆動して吸気Ａを吸入すると共に、加圧して成分分離手段２６へ流入させる（ステップＳ７）。加圧空気Ａは窒素富化空気ＡNと酸素富化空気ＡOとに分離され、酸素富化空気ＡOは掃気通路３４から外部へ放出される。
【００４５】
次に、ＥＣＵは制御弁２８を開弁する（ステップＳ８）。窒素富化空気ＡNは排気Ｇ0に混入してＤＰＦ１６内へ流入するので、ＥＣＵは温度センサ１７による排気Ｇ1の温度情報から、排気Ｇ1の温度がＤＰＦの溶損温度以上であるか否かを判定する（ステップＳ９）。排気Ｇ1の温度がＤＰＦの溶損警戒温度以上である場合には（ステップＳ９でＹＥＳ）、ポンプＰの加圧力を高めることで（ステップＳ１０）排気Ｇ0中の窒素濃度を高くして、ＤＰＦの過昇温を抑制し、排気Ｇ1の温度がＤＰＦの溶損警戒温度未満となるまで排気Ｇ1の温度測定とポンプＰの加圧力アップとを繰り返す。
【００４６】
排気Ｇ1の温度がＤＰＦの溶損警戒温度未満となったら（ステップＳ９でＮＯ）、ＥＣＵは制御弁２８を閉弁し（ステップＳ１１）、続いてポンプＰの駆動を停止する（ステップＳ１２）。
【００４７】
次いで、ＥＣＵは排気の圧力低下によってＤＰＬの再生が終了したかを判断し（ステップＳ１３）、ＤＰＬの再生が確認できたら（ステップＳ１３でＹＥＳ）運転モードに切り替えて通常運転とする（ステップＳ１４）。再生が確認されない場合には（ステップＳ１３でＮＯ）、ステップＳ２へ戻って以上の動作を繰り返す。
【００４８】
（第２の実施の形態）
図６に本発明の第２の実施の形態である排気温度制御装置２の概略構成を示す。図６は、排気温度制御装置２を装着した筒内噴射方式のガソリンエンジンの一例である。
【００４９】
排気温度制御装置２は、ＤＰＦ１６を三元触媒１６’とし、成分分離手段２６を窒素富化流路２４内に配置し、掃気通路３４には酸素富化空気ＡOの外部への排出（掃気）を制御する第２の制御弁３０を設けた以外は基本的に図１に示した排気温度制御装置１と同様の構成である。従って、その他の箇所については図１と同様の符号を付して説明を省略する。
【００５０】
第１の実施の形態では酸素分子を透過して窒素分子を透過しないゼオライトの分子ふるい機能を利用して窒素富化空気ＡNを得るようにしたが、第２の実施の形態の成分分離手段２６では、酸素分子と窒素分子とのゼオライトへの吸着特性の違いを利用して窒素富化空気ＡNを得るようにしている。
【００５１】
空気は主として窒素と酸素との混合物であるが、図１０に示すように元素によりゼオライトへの吸着特性が大きく異なる。つまり、ゼオライト膜を透過する空気の圧力を増加すると空気中の窒素分子Ｎ２の吸着量は飛躍的に増大するが、酸素分子Ｏ２の吸着量の増加量は小さい。例えば、差圧を８００ｔｏｒｒとすると、窒素分子Ｎ２の吸着量は、約１５Ｌ／ｋｇ（ただし、Ｌは付着する窒素分子体積、ｋｇはゼオライトの重量である。）であるが、酸素分子Ｏ２の吸着量は約３Ｌ／ｋｇと非常に小さく、窒素分子Ｎ２の吸着量の約１／５．４にすぎない。例えば、ハニカム構造体Ｈの透過膜形成側Ｘを加圧空気Ａと接触するように配置すると（図１０では左向き）、加圧空気Ａはハニカム構造体Ｈを高圧で透過することになる。このため酸素Ｏ２はゼオライト膜側（Ｘ側）、すなわち窒素富化流路２４内に富化され、窒素富化空気ＡNは下流の制御弁２８側に富化されることになる。
【００５２】
図８にゼオライト膜６２の吸着特性による窒素富化作用を模式的に示す。ゼオライト膜６２はセルの隔壁６０の表面に形成されており、ゼオライト膜６２を貫通する細孔６４が多孔質からなる隔壁６０の通孔６６に連通している（隔壁６０の通孔６６は、ゼオライト膜６２を貫通する細孔６４よりもはるかに大径であるので図８の断面図では単に空間６６としている。）。なお、加圧空気Ａの圧力はゼオライト膜６２の表面６８側で高く隔壁６０側で低くなっている。加圧空気Ａ中の窒素分子Ｎ２（●）はゼオライトに吸着されるのでゼオライト膜表面６８に濃縮される。細孔６４はその径が０．３〜０．７ｎｍと極めて小さいので、吸着された窒素はゼオライト膜前後の圧力差で細孔６４の表面上を矢印Ｚ方向に移動してゼオライト膜６２を通過して窒素富化空気ＡNとなる。一方、酸素分子Ｏ２（○）はゼオライト膜に吸着されにくいので細孔６４を通過することなく、ゼオライト膜表面６８近傍に滞留する。その結果ゼオライト膜６２側の加圧空気Ａは酸素富化空気ＡOとなる。
【００５３】
ここで、排気浄化触媒１６は、コージェライトなどのセラミック担体の表面にコーティングされた触媒層を形成し、触媒層が多数の細孔を有する多孔質のアルミナ（ＡＬ2Ｏ3）の表面に白金−ロジウム（Ｐｔ−Ｒｈ）系あるいはパラジウム−ロジウム（Ｐｄ−Ｒｈ）系の貴金属触媒を担持させた三元触媒を例示することができる。このような排気浄化触媒１６は、所定温度以上の時に活性し、この触媒に流入する排気の空燃比が所望の空燃比近傍にあると、排気中に含まれる炭化水素（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）を排気中の酸素Ｏ2と反応させてＨ2Ｏ及びＣＯ2へ酸化すると同時に、排気中に燃料を添加することで排気中のＮＯｘをＨＣおよびＣＯと反応させてＨ2Ｏ、ＣＯ2、Ｎ2へ還元する。
【００５４】
以上のような構成を持つ本発明の排気温度制御装置２によれば、吸入空気Ａは加圧手段であるポンプＰによって窒素富化空気流路２４へ導入され加圧されて成分分離手段２６へ流入する。成分分離手段２６はゼオライト膜側を加圧空気Ａと接触するように窒素富化空気流路２４に配置されているので、酸素は上流側（加圧ポンプＰ側）で富化され、窒素は下流側（制御弁２８側）で富化される。このようにして得られた窒素富化空気ＡNは必要に応じて制御弁２８を開弁することで排気通路１２へ供給される。排気通路１２へ供給された窒素富化空気ＡNは、高温の三元触媒（または酸化触媒）１６’へ流入して触媒内の燃焼を抑制し、触媒の過昇温による劣化を回避することができる。
【００５５】
なお、窒素富化空気ＡNの窒素濃度は加圧手段Ｐの加圧力に比例して増加させることができるが、８５〜１００％であることが望ましい。窒素濃度が８５％未満では効果的に触媒反応を抑制することができない。
【００５６】
以上のような第２の実施の形態の排気温度制御装置２では、制御手段（以後、ＥＣＵという）３２は図９のフローチャートに示すよう作用する。
【００５７】
ＥＣＵは温度センサ１７で三元触媒１６’から流出する排気Ｇ1の温度を測定し（ステップＳ２１）、排気Ｇ1の温度が予め設定した触媒劣化温度（例えば、９００℃）以上であるか否かを判定する（ステップＳ２２）。排気Ｇ1の温度が触媒劣化温度以上であると判定した場合には（ステップＳ２２でＹＥＳ）、ＥＣＵは第２の制御弁３０を閉弁し（ステップＳ２３）、ポンプＰを駆動して吸入空気を取り入れ加圧する（ステップＳ２４）。ステップＳ２３で酸素富化空気の掃気通路３４が閉塞されるので成分分離手段２６の入側近傍４０に酸素が富化され成分分離手段２６の下流に窒素が富化される。なお、ステップＳ２２で排気Ｇ1の温度が触媒劣化温度未満であると判定した場合には（ステップＳ２２でＮＯ）、ステップＳ２１へ戻って、排気Ｇ1の温度が触媒劣化温度以上となるまで温度測定を継続する。
【００５８】
次に、ＥＣＵは酸素濃度センサ３６で成分分離手段２６の上流部４０の酸素濃度を測定し（ステップＳ２５）、酸素濃度が所定の濃度（例えば、３０％）以上であるかを判定する（ステップＳ２６）。酸素濃度が所定の濃度未満である場合には（ステップＳ２６でＮＯ）、ＥＣＵはポンプＰの能力を高めて（例えば、回転を上げる：ステップＳ２７）、酸素濃度が所定の濃度以上になるまで繰り返す。酸素濃度が所定の濃度以上である場合には、透過後の気体の窒素富化が完了したとして（ステップＳ２６でＹＥＳ）、ＥＣＵは第１の制御弁２８を開弁し（ステップＳ２８）、窒素富化空気ＡNを排気通路１２へ供給する。窒素富化空気ＡNは、排気Ｇ0と混合して三元触媒１６’に流入し触媒１６内の酸化反応を抑制する。
【００５９】
ＥＣＵは温度センサ１７で排気浄化触媒１６’から流出する排気Ｇ1の温度を測定し（ステップＳ２９）、排気Ｇ1の温度が予め設定した触媒劣化温度以下であるか否かを判定する（ステップＳ３０）。排気Ｇ1の温度が触媒劣化温度以下であると判定した場合には（ステップＳ３０でＹＥＳ）、ＥＣＵは第１の制御弁２８を閉弁し（ステップＳ３１）、ポンプＰの駆動を停止する（ステップＳ３２）とともに、第２の制御弁３０を開弁して（ステップＳ３３）、酸素富化空気ＡOを外部へ放出する。 その後、ＥＣＵはステップＳ２１へ戻り排気Ｇ1の温度測定を続ける。なお、第２の実施の形態では、燃料Ｆは触媒の内部温度を上昇させるためではなく排気中のＮＯｘなどの有害成分を還元して無害化する還元剤として添加するとよい。
【００６０】
このようにして、排気浄化触媒１６’の高温による触媒劣化を回避できる。
【００６１】
本発明の排気温度制御装置は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で変更してもよい。例えば、上記の実施形態ではゼオライト膜の分子ふるい効果を利用した成分分離手段をディーゼルエンジンＥ１に、ゼオライト膜の吸着特性を利用した成分分離手段をガソリンエンジンＥ２に適用した態様を例示したが、ゼオライト膜の吸着特性を利用した成分分離手段をディーゼルエンジンＥ１に、ゼオライト膜の分子ふるい効果を利用した成分分離手段をガソリンエンジンＥ２に適用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明は車両のガソリンエンジンの排気浄化触媒の過昇温による劣化やディーゼルエンジンにおけるＤＰＦの過昇温による溶損を回避するための排気温度制御装置として好適である。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】第１の実施の形態の構成を説明する概要図である。
【図２】窒素濃度とＤＰＦ内部温度との関係を示す概念図である。
【図３】ハニカム構造体Ｈの概要を説明する図である。（ａ）はハニカム構造体Ｈの斜視図であり、（ｂ）はセルの部分断面模式図、（ｃ）はハニカム構造体の一端面を模式的に示した正面図である。
【図４】ゼオライト膜による酸素分子Ｏ2と窒素分子Ｎ2の分離原理（分子ふるい効果）を説明する説明図である。
【図５】第１の実施の形態の制御を説明するフローチャートである。
【図６】第２の実施の形態の構成を説明する概要図である。
【図７】窒素濃度と触媒内部温度との関係を示す概念図である。
【図８】ゼオライト膜における窒素と酸素との吸着による透過の違いを説明する断面模式図である。
【図９】第２の実施の形態の制御を説明するフローチャートである。
【図１０】ゼオライト膜に対する差圧による吸着量の変化を窒素と酸素について比較して示したグラフである。
【符号の説明】
【００６４】
１２：排気通路 １６：触媒付ＤＰＦ（排気浄化触媒） １７：温度センサ １８：窒素富化空気供給手段 ２０：燃料添加手段 ２２：吸気通路 ２４：窒素富化空気流路 ２６：成分分離手段 ２８、３０：制御弁 ３２：制御手段５４：セル ５６：封止部 ６０：隔壁 ６２：ゼオライト膜 ６４：細孔
Ａ：吸気 ＡO：酸素富化空気 ＡN：窒素富化空気 Ｇ：排気
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車等に搭載される内燃機関の排気を浄化する技術に関し、特に内燃機関の排気通路に設けられた触媒やＤＰＦの過昇温を防止する排気温度制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車に搭載される内燃機関では、排気中に含まれる有害ガス成分を十分に浄化した上で大気中に放出することが要求されている。このような要求に対し、内燃機関の排気通路に排気浄化触媒を設け、その排気浄化触媒によって排気中に含まれる有害ガス成分を浄化する技術が提案されている。
【０００３】
浄化触媒としては、例えば、三元触媒、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒、酸化触媒、触媒付ＤＰＦもしくは、これらの排気浄化触媒を適宜組み合わせてなる排気浄化触媒など、多種多様の排気浄化触媒が開発されている。
【０００４】
上記した排気浄化触媒は、いずれも所定温度以上で活性して排気中の有害ガス成分を浄化することが可能となるため、排気に燃料を添加して燃焼させることにより触媒反応を活性化している。例えば、ディーゼルエンジンでは排気中に含まれる煤などのＰＭ（パティキュレイトマター：粒子状物質）を捕捉するために酸化触媒付きのＤＰＦ（パティキュレイトフィルタ）が排気通路中に装備されているが、特許文献１には排気中に燃料を添加してＤＰＦの内部温度を高めることでＰＭを燃焼除去してＤＰＦを再生させることが提案されている。
【０００５】
しかし、触媒反応が活性化して過昇温となりＤＰＦが溶損したり、触媒の劣化や破損を惹起するおそれがある。この過昇温を防止するために、筒内に過剰に燃料を噴霧して気化熱で過昇温を防止することが行われているが、この場合には燃費が悪化するという欠点がある。
【特許文献１】特開２００４−３１６４４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記のような問題に鑑みてなされたもので、燃費を低下させることなくＤＰＦや酸化触媒の過昇温を防止することのできる制御が容易でかつ構造が簡素である排気温度制御装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、上記の問題を解決するために、排気中の酸素濃度を低下させることに着目した。通常のディーゼルエンジンの運転状態においては、ＰＭが自己燃焼するほど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の量のセリウムなどの希土類元素を添加してなる酸化触媒を一体的に担持させた触媒再生型のＤＰＦの実用化が進められている。一般的にディーゼルエンジンから排出されるＰＭは触媒床温度（ＤＰＦの内部温度）を約６００℃以上（ｔ１）に上昇させることで燃焼除去することができるが、エンジンの運転状態や添加燃料の添加量によってはＤＰＦの内部温度が上昇し過ぎて（過昇温という）ある温度（ｔ２：例えば、１０００℃）を越えるとＤＰＦが溶損することがある。このためＤＰＦの内部温度ｔは、ｔ１＜ｔ＜ｔ２に制御しなければならない。
【０００８】
図２は、このような酸化触媒付ＤＰＦ（以後、単にＤＰＦという）の再生運転におけるＤＰＦの内部温度と排気中の窒素濃度との関係を示すグラフを概念的に示した一例である。通常排気中の窒素濃度は約８０％（以後、特に断らない限り％は体積％である）であるが、この場合にＤＰＦの内部温度が溶損を開始するおそれのあるほど高い温度であっても、図２から排気中の窒素濃度を約５％増加させることで７００℃近傍に、また、１０％増加させれば、６００℃付近にまでＤＰＦの内部温度を低下させうることが分かる。
【０００９】
また、ガソリンエンジンにおける排気浄化触媒である三元触媒は、排気中の未燃焼炭化水素や一酸化炭素などを燃焼して水と炭酸ガスとに無害化するが、例えば、触媒の内部温度が９００℃を越えると触媒の劣化が始まり排気中の有害物質を効果的に無害化することができなくなる。従って、触媒の内部温度を９００℃以下に維持しなければならない。図７は三元触媒の内部温度と窒素濃度との関係を概念的に示したものであり、図２と同様に排気中の窒素濃度を高めることにより触媒の内部温度を低下できることを示している。
【００１０】
本発明は、このような知見に基づいてなされたもので、排気中の窒素濃度を高くすることにより、ＤＰＦや三元触媒などの排気浄化触媒の過昇温による破損や劣化を防止しようとするものである。
【００１１】
本発明の排気温度制御装置は、内燃機関に接続された排気通路と、この排気通路に介装され、排気通路内を流通する排気を浄化する排気浄化触媒と、排気通路において排気浄化触媒より上流に窒素富化空気を供給する窒素富化空気供給手段と、排気浄化触媒より上流の排気通路内へ燃料を供給する燃料供給手段とを備えることを特徴とする。ここで、排気浄化触媒は、三元触媒または触媒付ＤＰＦとすることができる。
【００１２】
このように構成された本発明の排気温度制御装置では、排気浄化触媒の内部温度を降下する必要がある場合には、窒素富化空気が排気浄化触媒に供給されることになる。窒素富化空気が排気浄化触媒に供給されると、供給された空気は窒素濃度が高いので排気浄化触媒における触媒反応が抑制され過昇温を防止することができる。この結果、排気浄化触媒の触媒劣化やＤＰＦの溶損を回避することができる。
【００１３】
本発明の排気温度制御装置において、窒素富化空気供給手段は、内燃機関に接続された吸気通路から分岐し排気通路の排気浄化触媒より上流の部位で合流する窒素富化空気流路と、この窒素富化空気流路に介装され、吸気通路から空気を吸入し吸入空気を加圧して加圧空気とする加圧手段と、この加圧空気の気体成分を分離して加圧空気を窒素富化空気とする成分分離手段と、成分分離手段の下流に配置され窒素富化空気の排気通路への流入を制御する制御弁とを備えることが望ましい。
【００１４】
このように構成された窒素富化空気供給手段では、窒素富化空気を必要に応じて即座に排気浄化触媒に供給することができるので触媒内部の温度を容易に下げることができる。
【００１５】
本発明の排気温度制御装置においては、成分分離手段に空気中の酸素または窒素のいずれかを選択的に透過するゼオライト膜を備えている。ゼオライト膜はその細孔径を選択することで分子の大きさにより気体成分を分離する分子ふるいとしての機能を有しており、ゼオライト膜を介して酸素富化空気と窒素富化空気とを造ることができる。
【００１６】
また、ゼオライト膜は気体成分によって異なる吸着特性を有する。すなわち、空気中の窒素と酸素とではゼオライトへの吸着特性は大きく異なり、ゼオライト膜へ流入する空気の圧力を増加するとゼオライトへの窒素吸着量は飛躍的に増大するが、酸素の吸着量の増加は非常に小さい。つまり、空気を加圧することでゼオライト膜により酸素富化空気と窒素富化空気とを得ることができる。
【００１７】
さらに、成分分離手段はゼオライト膜を有するハニカム構造体であるので、単位体積当たりの気体成分の分離効率が高いので、窒素富化空気供給手段を極めてコンパクトにすることができる。
【００１８】
また、ハニカム構造体のセル密度は４００〜９００個／ｉｎｃｈ2であることが好ましい。ハニカム構造体のセル密度をこのような範囲とすることで、透過面積が大きく、かつ空気の圧力損失の少ない成分分離手段とすることができる。
【００１９】
ゼオライト膜は孔径が０．３５〜０．７ｎｍの細孔を有することが望ましい。このような細孔径のゼオライト膜により空気中の酸素と窒素とを効率よく分離して窒素濃度の高い窒素富化空気を得ることができる。
【００２０】
また、ゼオライト膜を支持しハニカム構造体を形成する基材は、多孔質のセラミックであることが望ましく、中でも、コージュライトが好適である。コージェライトは良好な成形性を有し、原料の配合や焼成方法などにより容易に所望の通気性や強度を得ることができかつ安価であるので優れた基材である。
【００２１】
このような基材は、径が１０〜５０μｍの細孔を有することが望ましい。径が１０〜５０μｍの細孔とすることで空気の圧力損失が小さくかつ所定の強度を有するハニカム構造体を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下本発明の好適な実施の形態を図に基づいて説明する。
【００２３】
（第１の実施の形態）
図１に本発明の第１の実施の形態である排気温度制御装置１の概略構成を示す。図１は、排気温度制御装置１を装着したディーゼルエンジンの一例である。本発明の排気温度制御装置１は、内燃機関Ｅ１に接続された排気通路１２と、この排気通路１２に介装され、排気通路内を流通する排気を浄化する排気浄化触媒（ここでは、排気Ｇ0中に含まれるＰＭ（粒子状物質）、すなわち、炭素質からなる煤と、高沸点炭化水素成分からなる可溶性有機成分とを主成分とし、更に微量のミスト状硫酸成分を含んだ組成物を捕捉する触媒付ＤＰＦ）１６と、排気通路１２においてこのＤＰＦ１６より上流に窒素富化空気ＡNを供給する窒素富化空気供給手段１８と、ＤＰＦ１６より上流の排気通路内へ燃料Ｆを供給する燃料供給手段２０とを備える。
【００２４】
そして、窒素富化空気供給手段１８は、内燃機関Ｅ１に接続された吸気通路２２の部位１８ａで分岐し排気通路１２のＤＰＦ１６より上流の部位１８ｂで合流する窒素富化空気流路２４と、この窒素富化空気流路２４に介装され、吸気通路２２から空気Ａを吸入しこの吸入空気Ａを加圧して加圧空気Ａとする加圧手段Ｐと、この加圧空気Ａの気体成分を分離して加圧空気Ａを窒素富化空気ＡNとする成分分離手段２６とを備えている。成分分離手段２６は窒素富化空気流路２４に開口する掃気通路３４に配置されており酸素富化空気ＡOを外部へ放出できるようになっている。また、成分分離手段２６の下流には、窒素富化空気ＡNの排気通路１２への流入を制御する制御弁２８が設けられている。
【００２５】
なお、図中、３はシリンダ、５はピストン、７は燃焼室、９は燃料インジェクタ、１１は吸気弁、１５は排気弁である。また、１７はＤＰＦ１６から流出する排気Ｇ1の温度を測定する温度センサである。
【００２６】
温度センサ１７は制御手段３２に接続されており、排気Ｇ1の温度測定結果を入力情報として制御手段３２のＥＣＵなどへ入力する。このような制御手段３２は、上記の測定結果の他に冷却水の温度Ｔ１やエンジンオイルの温度Ｔ２などを入力情報として、所定の演算処理により制御弁２８の開閉や加圧手段Ｐ（ポンプ）のＯＮ・ＯＦＦなどの動作を指示して排気Ｇ1の温度を制御する。
【００２７】
ここで、ＤＰＦ１６は、後述するウォールスルー型のコージェライトなどのセラミック基材の表面に、アルミナに白金を担持させたものに適宜の量のセリウムなどの希土類元素を添加してなる酸化触媒を一体的に担持させた触媒再生型のＤＰＦを例示することができる。
【００２８】
以上のような構成を持つ本発明の排気温度制御装置１によれば、吸入空気Ａは加圧手段であるポンプＰによって窒素富化空気流路２４へ流入し加圧されて成分分離手段２６へ流入する。成分分離手段２６はゼオライト膜側を加圧空気Ａと接触するように掃気通路３４に配置されているので、窒素は窒素富化流路２４内に富化され、酸素富化空気ＡOは外部へ放出される。このようにして得られた窒素富化空気ＡNは必要に応じて制御弁２８を開弁することで排気通路１２へ供給される。排気通路１２へ供給された窒素富化空気ＡNは、ＤＰＦ１６へ流入してＰＭなどの燃焼を抑制し、ＤＰＦの過昇温を防止する。
【００２９】
このような本発明の排気温度制御装置１によれば、ＤＰＦの再生運転中に排気中の窒素濃度を高めることでＰＭの過剰な燃焼を抑制しＤＰＦの過昇温による溶損を回避することができる。
【００３０】
なお、窒素富化空気ＡNの窒素濃度は加圧手段Ｐの加圧力に比例して増加させることができるが、８５〜１００％であることが望ましい。窒素濃度が８５％未満では効果的にＰＭの燃焼を抑制することができない。
【００３１】
次に、窒素富化空気供給手段１８の成分分離手段２６について図３および図４を参照しながら詳細に説明する。
【００３２】
成分分離手段２６は、図３（ａ）に示すように外殻５２と多数のセル５４とを一体的に形成したハニカム構造体Ｈである。
【００３３】
図３（ｂ）はハニカム構造体Ｈの軸方向の部分断面を模式的に示したものである。ハニカム状に形成された各セル５４は、その一端側を封止し他端側は開口のままとして、ハニカム構造Ｈの端面Ｘにおいて、各セル５４の封止部５６と開口部５８とが千鳥状に交互に並列するように形成されている。つまり、ハニカム構造体Ｈは、各セル５４の封止部５６によってハニカム構造体Ｈの一端Ｘ側から他端Ｘ’側への空気の自由な流通を阻止するように形成されているウォールスルー型の構造体である。
【００３４】
ハニカム構造体Ｈのセル５４は、図３（ｃ）に示すように、正方形（ア）、六角形（イ）、三角形（ウ）など適宜の形状とすることができるが、端面Ｘ、Ｘ’におけるセル密度は、４００〜９００個／ｉｎｃｈ2（６２〜１４０個／ｃｍ2）であることが望ましい。セル密度が４００個／ｉｎｃｈ2未満では、酸素分子の透過面積が不十分であり成分分離手段を小型化できない。また、９００個／ｉｎｃｈ2を越えると流通する空気の圧力損失が大きくなるので好ましくない。より好ましくは４００〜６００個／ｉｎｃｈ2（６２〜９３個／ｃｍ2）である。
【００３５】
このようなハニカム構造体Ｈにおいて、セル隔壁６０の厚さは０．０５〜１．０ｍｍであることが望ましい。セル隔壁６０の厚さが０．０５ｍｍ未満では強度的に不十分であり、また１．０ｍｍを越えて厚い場合には、同じ表面積を得るためにはハニカム構造体Ｈが大きく重くなるので適当ではない。
【００３６】
図３（ｂ）に示すように、ハニカム構造体Ｈの隔壁６０の表面には、加圧空気Ａ中の酸素分子Ｏ2を選択的に透過して分離するゼオライト膜６２が基材（以後、隔壁と称することもある）６０と一体的に形成されている。ゼオライト膜６２は加圧空気Ａの流れに対して隔壁６０の上流側に形成されており、ゼオライト膜６２を透過した酸素分子Ｏ2は多孔質の基材からなる隔壁６０の通孔を通ってハニカム構造体Ｈの下流側に富化され、ゼオライト膜６２を透過できない窒素分子Ｎ2は上流側に富化される。
【００３７】
ゼオライト膜６２は、耐熱性の高い分子ふるい膜である。ゼオライトは分子サイズの細孔径を有した結晶性無機酸化物であり、細孔径を選択することで分子径の異なる気体成分を選別することができる。
【００３８】
図４は、ゼオライトの分子ふるい膜６２で空気中の酸素分子Ｏ２と窒素分子Ｎ２とを分離する様子を概念的に示したものである。空気中には酸素Ｏ２、窒素Ｎ２、二酸化炭素ＣＯ２、水蒸気Ｈ２Ｏなど多くの気体成分が混在している。ところが、これらの各気体成分は分子レベルで大きさが異なり、周知のようにその分子径は、水蒸気＜二酸化炭素＜酸素＜窒素の順に大きい。酸素の分子径は約０．３５ｎｍであり窒素のそれは０．３７ｎｍである。従って、分子ふるい膜（ゼオライト膜）６２の細孔径を酸素の分子径よりも大きく、かつ窒素の分子径よりも小さくすることにより、酸素のみを透過して窒素と分離し、ゼオライト膜６２の出側の空気を酸素富化空気ＡOに、また、入り側の空気を窒素富化空気ＡNとすることができる。酸素の透過効率などを考慮すると、具体的にはこの分子ふるい（ゼオライト膜）６２の細孔径は０．３５〜０．７ｎｍであることが望ましく、より好ましくは０．３５〜０．３７ｎｍである。
【００３９】
このようなゼオライト膜６２の厚さは０．１〜１００μｍであることが望ましい。膜厚が０．１μｍ未満では強度不足やピンホール等の欠陥が発生することがあり、また、１００μｍを越えると透過するための圧力差が大きくなって適当ではない。より好ましくは１〜５０μｍである。
【００４０】
上記のように、多孔質の基材表面に一体的に形成した透過膜により、加圧空気Ａ中の窒素を富化することができる。従って、基材は、透過膜の透過性を阻害しない程度の多孔質体であることが望ましい。このような多孔質体の材質は特に限定はなく、金属、金属酸化物などのセラミックス、カーボンおよび有機ポリマなどを用いることができる。強度や剛直性の観点からは、金属及び金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物などのセラミックスが好ましく、ゼオライト膜との熱膨張率の差が少ないこと、あるいはゼオライト膜との親和性が高いこと等を考慮すると金属としては、ステンレス製の燒結金属、金属酸化物としてはアルミナ、ジルコニア、シリカ、ムライト、コージェライト、チタニア、ゼオライトまたはゼオライト類似物等を挙げることができる。中でも、多孔質のセラミックであるコージェライトは良好な成形性を有し、原料の配合や焼成方法などにより容易に所望の通気性（通孔径や通孔密度など）や強度を得ることができるので好適である。このような多孔質体の平均通孔径は１００μｍ以下が強度的に好ましく、更に好ましくは５０μｍ以下である。
【００４１】
以上のような第１の実施の形態の排気温度制御装置１は、制御手段（以後、ＥＣＵという）３２により図５のフローチャートに示すように排気Ｇ1の温度を制御してＤＰＦ１６を再生することができる。
【００４２】
制御手段３２（以後、ＥＣＵという）は排気の圧力上昇により運転モードを通常モードからＤＰＦ再生モードに切り替える（ステップＳ１）。続いて燃料Ｆを排気Ｇ0に添加する（ステップＳ２）。燃料ＦはＤＰＦ内で触媒反応により燃焼して排気Ｇ1の温度を上昇させる。ＥＣＵは温度センサ１７によるＤＰＦから流出する排気Ｇ1の温度情報（ステップＳ３）から、排気Ｇ1の温度がＰＭの燃焼温度（例えば、６００℃）以上であるか否かを判定する（ステップＳ４）。排気Ｇ1の温度がＰＭの燃焼温度以上であると判定した場合には（ステップＳ４でＹＥＳ）、ＥＣＵはステップＳ５に進んで、さらに排気Ｇ1の温度がＤＰＦの溶損温度（例えば、１０００℃）以上であるか否かを判定する。なお、ステップＳ４で排気Ｇ1の温度がＰＭの燃焼温度未満であると判定した場合には（ステップＳ４でＮＯ）、ステップＳ２へ戻って、更に燃料Ｆを排気Ｇ0へ添加する。
【００４３】
ＥＣＵはステップＳ５で排気Ｇ1の温度がＤＰＦの溶損温度以上であると判定した場合には（ステップＳ５でＹＥＳ）、ステップＳ６で排気Ｇ0への燃料Ｆの添加を停止する。一方、排気Ｇ1の温度がＤＰＦの溶損温度未満であると判定した場合には（ステップＳ５でＮＯ：排気Ｇ1の温度はＰＭ燃焼温度以上でＤＰＦの溶損温度未満）、ステップＳ３へ戻る。
【００４４】
ＥＣＵはステップＳ６で排気Ｇ0への燃料Ｆの添加を停止したら、ポンプＰを駆動して吸気Ａを吸入すると共に、加圧して成分分離手段２６へ流入させる（ステップＳ７）。加圧空気Ａは窒素富化空気ＡNと酸素富化空気ＡOとに分離され、酸素富化空気ＡOは掃気通路３４から外部へ放出される。
【００４５】
次に、ＥＣＵは制御弁２８を開弁する（ステップＳ８）。窒素富化空気ＡNは排気Ｇ0に混入してＤＰＦ１６内へ流入するので、ＥＣＵは温度センサ１７による排気Ｇ1の温度情報から、排気Ｇ1の温度がＤＰＦの溶損温度以上であるか否かを判定する（ステップＳ９）。排気Ｇ1の温度がＤＰＦの溶損警戒温度以上である場合には（ステップＳ９でＹＥＳ）、ポンプＰの加圧力を高めることで（ステップＳ１０）排気Ｇ0中の窒素濃度を高くして、ＤＰＦの過昇温を抑制し、排気Ｇ1の温度がＤＰＦの溶損警戒温度未満となるまで排気Ｇ1の温度測定とポンプＰの加圧力アップとを繰り返す。
【００４６】
排気Ｇ1の温度がＤＰＦの溶損警戒温度未満となったら（ステップＳ９でＮＯ）、ＥＣＵは制御弁２８を閉弁し（ステップＳ１１）、続いてポンプＰの駆動を停止する（ステップＳ１２）。
【００４７】
次いで、ＥＣＵは排気の圧力低下によってＤＰＬの再生が終了したかを判断し（ステップＳ１３）、ＤＰＬの再生が確認できたら（ステップＳ１３でＹＥＳ）運転モードに切り替えて通常運転とする（ステップＳ１４）。再生が確認されない場合には（ステップＳ１３でＮＯ）、ステップＳ２へ戻って以上の動作を繰り返す。
【００４８】
（第２の実施の形態）
図６に本発明の第２の実施の形態である排気温度制御装置２の概略構成を示す。図６は、排気温度制御装置２を装着した筒内噴射方式のガソリンエンジンの一例である。
【００４９】
排気温度制御装置２は、ＤＰＦ１６を三元触媒１６’とし、成分分離手段２６を窒素富化流路２４内に配置し、掃気通路３４には酸素富化空気ＡOの外部への排出（掃気）を制御する第２の制御弁３０を設けた以外は基本的に図１に示した排気温度制御装置１と同様の構成である。従って、その他の箇所については図１と同様の符号を付して説明を省略する。
【００５０】
第１の実施の形態では酸素分子を透過して窒素分子を透過しないゼオライトの分子ふるい機能を利用して窒素富化空気ＡNを得るようにしたが、第２の実施の形態の成分分離手段２６では、酸素分子と窒素分子とのゼオライトへの吸着特性の違いを利用して窒素富化空気ＡNを得るようにしている。
【００５１】
空気は主として窒素と酸素との混合物であるが、図１０に示すように元素によりゼオライトへの吸着特性が大きく異なる。つまり、ゼオライト膜を透過する空気の圧力を増加すると空気中の窒素分子Ｎ２の吸着量は飛躍的に増大するが、酸素分子Ｏ２の吸着量の増加量は小さい。例えば、差圧を８００ｔｏｒｒとすると、窒素分子Ｎ２の吸着量は、約１５Ｌ／ｋｇ（ただし、Ｌは付着する窒素分子体積、ｋｇはゼオライトの重量である。）であるが、酸素分子Ｏ２の吸着量は約３Ｌ／ｋｇと非常に小さく、窒素分子Ｎ２の吸着量の約１／５．４にすぎない。例えば、ハニカム構造体Ｈの透過膜形成側Ｘを加圧空気Ａと接触するように配置すると（図１０では左向き）、加圧空気Ａはハニカム構造体Ｈを高圧で透過することになる。このため酸素Ｏ２はゼオライト膜側（Ｘ側）、すなわち窒素富化流路２４内に富化され、窒素富化空気ＡNは下流の制御弁２８側に富化されることになる。
【００５２】
図８にゼオライト膜６２の吸着特性による窒素富化作用を模式的に示す。ゼオライト膜６２はセルの隔壁６０の表面に形成されており、ゼオライト膜６２を貫通する細孔６４が多孔質からなる隔壁６０の通孔６６に連通している（隔壁６０の通孔６６は、ゼオライト膜６２を貫通する細孔６４よりもはるかに大径であるので図８の断面図では単に空間６６としている。）。なお、加圧空気Ａの圧力はゼオライト膜６２の表面６８側で高く隔壁６０側で低くなっている。加圧空気Ａ中の窒素分子Ｎ２（●）はゼオライトに吸着されるのでゼオライト膜表面６８に濃縮される。細孔６４はその径が０．３〜０．７ｎｍと極めて小さいので、吸着された窒素はゼオライト膜前後の圧力差で細孔６４の表面上を矢印Ｚ方向に移動してゼオライト膜６２を通過して窒素富化空気ＡNとなる。一方、酸素分子Ｏ２（○）はゼオライト膜に吸着されにくいので細孔６４を通過することなく、ゼオライト膜表面６８近傍に滞留する。その結果ゼオライト膜６２側の加圧空気Ａは酸素富化空気ＡOとなる。
【００５３】
ここで、排気浄化触媒１６は、コージェライトなどのセラミック担体の表面にコーティングされた触媒層を形成し、触媒層が多数の細孔を有する多孔質のアルミナ（ＡＬ2Ｏ3）の表面に白金−ロジウム（Ｐｔ−Ｒｈ）系あるいはパラジウム−ロジウム（Ｐｄ−Ｒｈ）系の貴金属触媒を担持させた三元触媒を例示することができる。このような排気浄化触媒１６は、所定温度以上の時に活性し、この触媒に流入する排気の空燃比が所望の空燃比近傍にあると、排気中に含まれる炭化水素（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）を排気中の酸素Ｏ2と反応させてＨ2Ｏ及びＣＯ2へ酸化すると同時に、排気中に燃料を添加することで排気中のＮＯｘをＨＣおよびＣＯと反応させてＨ2Ｏ、ＣＯ2、Ｎ2へ還元する。
【００５４】
以上のような構成を持つ本発明の排気温度制御装置２によれば、吸入空気Ａは加圧手段であるポンプＰによって窒素富化空気流路２４へ導入され加圧されて成分分離手段２６へ流入する。成分分離手段２６はゼオライト膜側を加圧空気Ａと接触するように窒素富化空気流路２４に配置されているので、酸素は上流側（加圧ポンプＰ側）で富化され、窒素は下流側（制御弁２８側）で富化される。このようにして得られた窒素富化空気ＡNは必要に応じて制御弁２８を開弁することで排気通路１２へ供給される。排気通路１２へ供給された窒素富化空気ＡNは、高温の三元触媒（または酸化触媒）１６’へ流入して触媒内の燃焼を抑制し、触媒の過昇温による劣化を回避することができる。
【００５５】
なお、窒素富化空気ＡNの窒素濃度は加圧手段Ｐの加圧力に比例して増加させることができるが、８５〜１００％であることが望ましい。窒素濃度が８５％未満では効果的に触媒反応を抑制することができない。
【００５６】
以上のような第２の実施の形態の排気温度制御装置２では、制御手段（以後、ＥＣＵという）３２は図９のフローチャートに示すよう作用する。
【００５７】
ＥＣＵは温度センサ１７で三元触媒１６’から流出する排気Ｇ1の温度を測定し（ステップＳ２１）、排気Ｇ1の温度が予め設定した触媒劣化温度（例えば、９００℃）以上であるか否かを判定する（ステップＳ２２）。排気Ｇ1の温度が触媒劣化温度以上であると判定した場合には（ステップＳ２２でＹＥＳ）、ＥＣＵは第２の制御弁３０を閉弁し（ステップＳ２３）、ポンプＰを駆動して吸入空気を取り入れ加圧する（ステップＳ２４）。ステップＳ２３で酸素富化空気の掃気通路３４が閉塞されるので成分分離手段２６の入側近傍４０に酸素が富化され成分分離手段２６の下流に窒素が富化される。なお、ステップＳ２２で排気Ｇ1の温度が触媒劣化温度未満であると判定した場合には（ステップＳ２２でＮＯ）、ステップＳ２１へ戻って、排気Ｇ1の温度が触媒劣化温度以上となるまで温度測定を継続する。
【００５８】
次に、ＥＣＵは酸素濃度センサ３６で成分分離手段２６の上流部４０の酸素濃度を測定し（ステップＳ２５）、酸素濃度が所定の濃度（例えば、３０％）以上であるかを判定する（ステップＳ２６）。酸素濃度が所定の濃度未満である場合には（ステップＳ２６でＮＯ）、ＥＣＵはポンプＰの能力を高めて（例えば、回転を上げる：ステップＳ２７）、酸素濃度が所定の濃度以上になるまで繰り返す。酸素濃度が所定の濃度以上である場合には、透過後の気体の窒素富化が完了したとして（ステップＳ２６でＹＥＳ）、ＥＣＵは第１の制御弁２８を開弁し（ステップＳ２８）、窒素富化空気ＡNを排気通路１２へ供給する。窒素富化空気ＡNは、排気Ｇ0と混合して三元触媒１６’に流入し触媒１６内の酸化反応を抑制する。
【００５９】
ＥＣＵは温度センサ１７で排気浄化触媒１６’から流出する排気Ｇ1の温度を測定し（ステップＳ２９）、排気Ｇ1の温度が予め設定した触媒劣化温度以下であるか否かを判定する（ステップＳ３０）。排気Ｇ1の温度が触媒劣化温度以下であると判定した場合には（ステップＳ３０でＹＥＳ）、ＥＣＵは第１の制御弁２８を閉弁し（ステップＳ３１）、ポンプＰの駆動を停止する（ステップＳ３２）とともに、第２の制御弁３０を開弁して（ステップＳ３３）、酸素富化空気ＡOを外部へ放出する。 その後、ＥＣＵはステップＳ２１へ戻り排気Ｇ1の温度測定を続ける。なお、第２の実施の形態では、燃料Ｆは触媒の内部温度を上昇させるためではなく排気中のＮＯｘなどの有害成分を還元して無害化する還元剤として添加するとよい。
【００６０】
このようにして、排気浄化触媒１６’の高温による触媒劣化を回避できる。
【００６１】
本発明の排気温度制御装置は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で変更してもよい。例えば、上記の実施形態ではゼオライト膜の分子ふるい効果を利用した成分分離手段をディーゼルエンジンＥ１に、ゼオライト膜の吸着特性を利用した成分分離手段をガソリンエンジンＥ２に適用した態様を例示したが、ゼオライト膜の吸着特性を利用した成分分離手段をディーゼルエンジンＥ１に、ゼオライト膜の分子ふるい効果を利用した成分分離手段をガソリンエンジンＥ２に適用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明は車両のガソリンエンジンの排気浄化触媒の過昇温による劣化やディーゼルエンジンにおけるＤＰＦの過昇温による溶損を回避するための排気温度制御装置として好適である。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】第１の実施の形態の構成を説明する概要図である。
【図２】窒素濃度とＤＰＦ内部温度との関係を示す概念図である。
【図３】ハニカム構造体Ｈの概要を説明する図である。（ａ）はハニカム構造体Ｈの斜視図であり、（ｂ）はセルの部分断面模式図、（ｃ）はハニカム構造体の一端面を模式的に示した正面図である。
【図４】ゼオライト膜による酸素分子Ｏ2と窒素分子Ｎ2の分離原理（分子ふるい効果）を説明する説明図である。
【図５】第１の実施の形態の制御を説明するフローチャートである。
【図６】第２の実施の形態の構成を説明する概要図である。
【図７】窒素濃度と触媒内部温度との関係を示す概念図である。
【図８】ゼオライト膜における窒素と酸素との吸着による透過の違いを説明する断面模式図である。
【図９】第２の実施の形態の制御を説明するフローチャートである。
【図１０】ゼオライト膜に対する差圧による吸着量の変化を窒素と酸素について比較して示したグラフである。
【符号の説明】
【００６４】
１２：排気通路 １６：触媒付ＤＰＦ（排気浄化触媒） １７：温度センサ １８：窒素富化空気供給手段 ２０：燃料添加手段 ２２：吸気通路 ２４：窒素富化空気流路 ２６：成分分離手段 ２８、３０：制御弁 ３２：制御手段５４：セル ５６：封止部 ６０：隔壁 ６２：ゼオライト膜 ６４：細孔
Ａ：吸気 ＡO：酸素富化空気 ＡN：窒素富化空気 Ｇ：排気
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関に接続された排気通路と、
前記排気通路に介装され、前記排気通路内を流通する排気を浄化する排気浄化触媒と、
前記排気通路において前記排気浄化触媒より上流に窒素富化空気を供給する窒素富化空気供給手段と、
前記排気浄化触媒より上流の前記排気通路内へ燃料を供給する燃料供給手段と、を備えることを特徴とする排気温度制御装置。
【請求項２】
前記窒素富化空気供給手段は、前記内燃機関に接続された吸気通路から分岐し前記排気通路の前記排気浄化触媒より上流の部位で合流する窒素富化空気流路と、前記窒素富化空気流路に介装され、前記吸気通路から空気を吸入し該吸入空気を加圧して加圧空気とする加圧手段と、前記加圧空気の気体成分を分離して前記加圧空気を窒素富化空気とする成分分離手段と、前記成分分離手段の下流に配置され前記窒素富化空気の前記排気通路への流入を制御する制御弁と、を備える請求項１に記載の排気温度制御装置。
【請求項３】
前記排気浄化触媒は、三元触媒または触媒付きＤＰＦである請求項１又は２に記載の排気温度制御装置。
【請求項４】
前記成分分離手段は、前記加圧空気中の酸素と窒素とを分離するゼオライト膜を基材表面に一体的に形成したハニカム構造体である請求項２に記載の排気温度制御装置。
【請求項５】
前記ハニカム構造体は、一端側に封止部を他端側に開口部を有するセルの該開口部と該封止部とが交互に隣り合うように並列されている請求項４に記載の排気温度制御装置。
【請求項６】
前記ハニカム構造体のセル密度は、４００〜９００個／ｉｎｃｈ2（６２〜１４０個／ｃｍ2）である請求項４又は５に記載の排気温度制御装置。
【請求項７】
前記ゼオライト膜は孔径が０．３５〜０．７ｎｍの細孔を有する請求項４〜６のいずれかに記載の排気温度制御装置。
【請求項８】
前記基材は径が０．１〜５０μｍの通孔を有する多孔質体である請求項４〜７のいずれかに記載の排気温度制御装置。
【請求項９】
前記多孔質体はセラミックである請求項８に記載の排気温度制御装置装置。
【請求項１０】
前記セラミックはコージェライトである請求項９に記載の排気温度制御装置。
【請求項１】
内燃機関に接続された排気通路と、
前記排気通路に介装され、前記排気通路内を流通する排気を浄化する排気浄化触媒と、
前記排気通路において前記排気浄化触媒より上流に窒素富化空気を供給する窒素富化空気供給手段と、
前記排気浄化触媒より上流の前記排気通路内へ燃料を供給する燃料供給手段と、を備えることを特徴とする排気温度制御装置。
【請求項２】
前記窒素富化空気供給手段は、前記内燃機関に接続された吸気通路から分岐し前記排気通路の前記排気浄化触媒より上流の部位で合流する窒素富化空気流路と、前記窒素富化空気流路に介装され、前記吸気通路から空気を吸入し該吸入空気を加圧して加圧空気とする加圧手段と、前記加圧空気の気体成分を分離して前記加圧空気を窒素富化空気とする成分分離手段と、前記成分分離手段の下流に配置され前記窒素富化空気の前記排気通路への流入を制御する制御弁と、を備える請求項１に記載の排気温度制御装置。
【請求項３】
前記排気浄化触媒は、三元触媒または触媒付きＤＰＦである請求項１又は２に記載の排気温度制御装置。
【請求項４】
前記成分分離手段は、前記加圧空気中の酸素と窒素とを分離するゼオライト膜を基材表面に一体的に形成したハニカム構造体である請求項２に記載の排気温度制御装置。
【請求項５】
前記ハニカム構造体は、一端側に封止部を他端側に開口部を有するセルの該開口部と該封止部とが交互に隣り合うように並列されている請求項４に記載の排気温度制御装置。
【請求項６】
前記ハニカム構造体のセル密度は、４００〜９００個／ｉｎｃｈ2（６２〜１４０個／ｃｍ2）である請求項４又は５に記載の排気温度制御装置。
【請求項７】
前記ゼオライト膜は孔径が０．３５〜０．７ｎｍの細孔を有する請求項４〜６のいずれかに記載の排気温度制御装置。
【請求項８】
前記基材は径が０．１〜５０μｍの通孔を有する多孔質体である請求項４〜７のいずれかに記載の排気温度制御装置。
【請求項９】
前記多孔質体はセラミックである請求項８に記載の排気温度制御装置装置。
【請求項１０】
前記セラミックはコージェライトである請求項９に記載の排気温度制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００６−２７５０２０（Ｐ２００６−２７５０２０Ａ）
【公開日】平成１８年１０月１２日（２００６．１０．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−９９３０６（Ｐ２００５−９９３０６）
【出願日】平成１７年３月３０日（２００５．３．３０）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１０月１２日（２００６．１０．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年３月３０日（２００５．３．３０）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
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