JP2008101604A - 排ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ディーゼルエンジンの排ガス浄化装置において、燃費を悪化させることなく、安定に排ガス浄化を行う。
【解決手段】 排ガス浄化装置は、ディーゼルエンジンの主排気ラインに設置された主微粒子捕捉フィルタと、前記主微粒子捕捉フィルタの上流側の分岐点で前記排気ラインから分岐した副排気ラインと、前記副排気ラインに設置された、前記主微粒子捕捉フィルタのスートストレージ容量よりも小さなスートストレージ容量を有する副微粒子捕捉フィルタと、前記副排気ライン中、前記副微粒子捕捉フィルタの下流側に設けられ、前記分岐点における圧力よりも低い圧力を与える低圧部と、前記副微粒子捕捉フィルタの入口側と出口側の差圧を測定する差圧測定部とを備える。
【選択図】 図１２

Description

本発明は内燃エンジンの排ガス浄化装置に係り、特に微粒子捕捉フィルタ（ＤＰＦ）を備え、ディーゼルエンジンの排ガスに含まれる微粒子（ＰＭ）を除去するのに使われる排ガス浄化装置に関する。

従来、ディーゼルエンジンより排出されるＣ（炭素）を主とする微粒子（ＰＭ：particulate matter）を捕捉するのに、多孔質セラミックより構成される微粒子捕捉フィルタ（ＤＰＦ：diesel particulate filter）が使われている。このような微粒子捕捉フィルタでは、継続的な使用に伴って捕捉した微粒子が徐々に堆積し、このため、微粒子捕捉フィルタを使った排ガス浄化装置においては、堆積した微粒子を微粒子捕捉フィルタ中において定期的に燃焼させて除去し、微粒子捕捉フィルタを再生することが行われている。微粒子捕捉フィルタ中における微粒子の堆積を放置すると、微粒子捕捉フィルタ中で排ガスにより生じる圧力が過大になり、燃費の悪化やエンジンの損傷を招くことがある。

このような微粒子捕捉フィルタの再生は、フィルタを交換したり取り外ししたりすることなく、ディーゼルエンジンの運転中に行うのが望ましく、このため、爆発燃焼後、シリンダ中をピストンが下降している状態でさらに燃料噴射を行う（ポストインジェクション）ことが行われている。これにより、堆積している微粒子が、発生した高温のガスにより燃焼される。
米国特許第６９５２９２０号 米国特許第５６５１２４８号

図１は、本発明の関連技術による、従来の微粒子捕捉フィルタを備えたディーゼルエンジンの排ガス浄化システムの全体構成を示す。

図１を参照するに、ディーゼルエンジン１１の排気ライン１２には微粒子捕捉フィルタ１２Ｂが設けられ、前記ディーゼルエンジン１１から排出される排ガス中の微粒子を捕捉している。

図２Ａは、前記微粒子捕捉フィルタ１２Ｂの概略を、図２Ｂは、前記微粒子捕捉フィルタの構成部品を示す。

前記微粒子捕捉フィルタ１２Ｂは、典型的にはＳｉＣなどの多孔質セラミックよりなるフィルタユニット１２Ａより構成され、前記フィルタユニット１２Ａ中には、一端から他端へと延在する、例えば１ｍｍ×１ｍｍの断面を有する多数のガス通路１２ａが形成されている。

その際、前記微粒子捕捉フィルタ１２Ｂは、複数のフィルタユニット（フィルタ構成部品）１２Ａをシール剤（接着層）で結束し、外周部を切削加工して全体として円柱形状に形成されている。さらに、フィルタ１２Ｂの外周面が、シール剤（コーティング層）により覆われている。前記微粒子捕捉フィルタ１２Ｂは、一つのユニットで形成されている場合もある。

図２Ｃは、微粒子捕捉フィルタ１２Ｂの原理を示す。

図２Ｃに概略的に示すように、前記複数のガス通路１２ａは、エンジンから流入する排ガス流に対して上流側または下流側の端部が交互に閉じられており、一のガス通路１２ａ中に導入された排ガスは、前記多孔質部材１２ｂ中を、隣接するガス通路へと透過する。そこで、このように排ガスが多孔質部材１２ｂ中を透過する際に、前記排ガス中に含まれる微粒子が前記多孔質部材１２ｂにより捕捉され、図２Ｄに示すように前記微粒子１２ｃの堆積が、前記多孔質部材１２ｂ上に層状に生じる。

微粒子捕捉フィルタ１２Ｂは内部に排ガス中の微粒子を堆積するため、先にも述べたように、適当な時点でクリーニングプロセス（堆積した微粒子の燃焼）を行い、フィルタを再生する必要がある。

図１で説明した従来の排ガス浄化システムでは、かかるフィルタの再生は、車両が所定の走行距離、例えば５００ｋｍを走行するごとに、例えば１０分間程度行われている。

しかし、このようにポストインジェクションによるフィルタ再生を一律に行った場合には、再生はフィルタ中における微粒子の実際の捕捉量に無関係に実行されることになる。このような場合、フィルタ中への微粒子の過剰な堆積が生じないように、フィルタ再生の間隔を、安全のため、実際に必要な場合よりも短めに設定しておかなければならない。しかし、このようにポストインジェクションによるフィルタ再生を過度に行うと、燃料消費が増大し、車両の燃費が悪化してしまう。

これに対し、図３に示すように、前記微粒子捕捉フィルタ１２Ｂの上流側および下流側の間の差圧ΔＰを測定し、前記差圧ΔＰが所定値に達すると前記微粒子捕捉フィルタ１２Ｂの再生をポストインジェクションにより実行する構成が公知である。特許文献１を参照。

図３の構成によれば、前記微粒子捕捉フィルタ１２Ｂの再生が、その上流側と下流側の差圧が所定値に達した場合にのみ実行されるため、余計なポストインジェクション工程が行われることがない。このため、ディーゼルエンジンを搭載した車両の燃費を向上させることが可能となる。

ところが、前記微粒子捕捉フィルタ１２Ｂ中における微粒子の捕捉は、一様には生じない。図４に示すように、フィルタ１２Ｂ中の位置（Ａ，１），（Ｂ，１），（Ｃ，１），（Ａ，２），（Ｂ，２），（Ｃ，２），（Ａ，３），（Ｂ，３），（Ｃ，３）によって、捕捉された微粒子の密度や厚さが異なることがわかる。さらに、堆積した微粒子の層中に、局所的な排ガスの通路となる空洞が生じていることがわかる。このような空洞が存在することは、捕捉された微粒子の燃焼が制御されていないことを示しており、またさらに、捕捉された微粒子の局所的な燃焼が生じたことを示している。

また図５に示すように、微粒子の堆積量が同一であっても、捕捉された微粒子の密度が異なることもある。図５は、堆積量が同一であっても、厚さにより、差圧が大きく変化することを示している。図５の例では、微粒子の堆積量は、全て８ｇ／Ｌである。それにもかかわらず、図５より、捕捉された微粒子の厚さが１０９μｍから２５５μｍに変化した場合、差圧は１５．３ｋＰａから８．８ｋＰａに変化することがわかる。この場合には、約２倍に達する差圧の変化が生じている。

従来の図３の構成において、捕捉された微粒子１２ｃ中にこのような不均一や局所的な空洞が生じると、実際に堆積した微粒子量と差圧ΔＰは、理論的な計算値に対して、±５０％にも達する誤差を生じる。その結果、実際に堆積した微粒子の量と再生動作を行うタイミングの関係が大きくずれてしまうことになる。さらに、排ガス圧および排ガス流量はエンジンの負荷や回転数により変化することを勘案すると、従来の図３の構成において、微粒子捕捉フィルタ１２Ｂ中における微粒子の堆積量を正確に検出するのは非常に困難であると言える。

また特許文献２には、微粒子捕捉フィルタの他に微粒子検出用フィルタを設け、微粒子捕捉フィルタに捕捉された微粒子の量を、電気抵抗測定により求める構成が記載されている。この技術では、微粒子捕捉フィルタに捕捉された微粒子と微粒子検出用フィルタにより捕捉された微粒子は、検出された抵抗値が所定値以下になった場合、ヒータを使って燃焼される。これにより、微粒子捕捉フィルタの再生がなされる。

前記特許文献２の構成では、微粒子捕捉フィルタにヒータを設ける必要があり、構成が複雑になる問題があり、さらに微粒子捕捉フィルタの再生に電力が消費される問題がある。また前記特許文献２の技術では、フィルタ再生時の電力消費を節減するため、微粒子捕捉フィルタへの微粒子の堆積が限界にきており直ちに再生を行うのが不可欠である特定の場合を除いて、再生動作を微粒子検出用フィルタの温度が所定値より高い状態を選んで実行されている。その結果、この技術では再生動作のタイミングが制約され、また微粒子検出用フィルタの再生動作において自由度が制約されることになる。

また前記特許文献２の技術では、ヒータによる微粒子捕捉フィルタの再生作業中は、その微粒子捕捉フィルタを使うことができず、このため予備の微粒子捕捉フィルタを設けておき、前記再生作業中にはこの予備の微粒子捕捉フィルタに切り替えている。しかし、このような構成では、同等の微粒子捕捉フィルタを２つ設ける必要があり、さらに切り替えバルブが必要であり、排ガス浄化装置の構成が大がかりになるという問題がある。かかる排ガス浄化装置を小型の車両に搭載するのは困難である。

また前記特許文献２の技術では、前記微粒子検出用フィルタを、微粒子捕捉フィルタと同時に、あるいは微粒子捕捉フィルタの再生に引き続いて再生しているが、微粒子検出用フィルタの再生タイミングが任意に選べないため、微粒子検出用フィルタの状態如何によっては、微粒子捕捉フィルタの再生タイミングに誤差が生じやすいという問題がある。

仮に微粒子捕捉フィルタの再生と微粒子検出用フィルタの生成を独立に行うと、微粒子検出用フィルタの再生を行った時点で、微粒子検出用フィルタの通気抵抗が減少し、排ガスは専ら微粒子検出用フィルタを流れるようになる。その結果、微粒子捕捉フィルタの再生タイミング検出に誤差が生じる。このような理由から、前記特許文献２の技術では、微粒子検出用フィルタの再生と微粒子捕捉フィルタの再生を、先に述べたように、同期させて行っているのである。

さらに前記特許文献２の技術は、（ａ）アッシュ堆積、および（ｂ）劣化による大きな見積もり誤差の問題点を有している。

さらに、前記特許文献２の技術では、捕捉した微粒子の堆積量を見積もるのに電極の電気抵抗を測定するという、その原理そのものに起因する問題点がある。

図５に示すように、堆積量が同じであっても、捕捉された微粒子の厚さは変化することがある。そこで、捕捉された微粒子の厚さが異なると、電気抵抗を正確に測定することが困難となり、堆積量の見積もり値に誤差が生じることになる。

さらに、微粒子捕捉フィルタや微粒子検出用フィルタに、微粒子の燃焼後にアッシュ（Ａｓｈ）の堆積が生じた場合には、もはや正確な電気抵抗の測定はできず、堆積量の見積もりに大きな誤差が生じてしまう。

さらに、微粒子検出用フィルタの使用に伴い、時間経過や排ガス環境中での使用による、フィルタや電極に劣化が生じる。特に電極（導電性金属からなる端子）は、Ｃｕ，Ｃｒ，Ｎｉ等の金属が含浸されたものであるので、酸化、不純物付着、ひび割れ、腐食等の、物理的劣化や酸化劣化、熱劣化が生じやすい。

フィルタや電極が劣化した場合には、もはや電気抵抗を正確に測定することができず、堆積量の算出結果に誤差が生じてしまう。

本発明は上記の課題を、ディーゼルエンジンの主排気ラインに設置された主微粒子捕捉フィルタと、前記主微粒子捕捉フィルタの上流側の分岐点で前記主排気ラインから分岐した副排気ラインと、前記副排気ラインに設置された、前記主微粒子捕捉フィルタのスートストレージ容量よりも小さなスートストレージ容量を有する副微粒子捕捉フィルタと、前記副排気ライン中、前記副微粒子捕捉フィルタの下流側に設けられ、前記分岐点における圧力よりも低い圧力を与える低圧部と、前記副微粒子捕捉フィルタの入口側と出口側の差圧を測定する差圧測定部と、を備えた排ガス浄化装置により解決する。

本発明によれば、主微粒子捕捉フィルタのスートストレージ容量よりもスートストレージ容量が小さく、従って不均一な微粒子堆積の生じにくい副微粒子捕捉フィルタを使い、かかる副微粒子捕捉フィルタに生じる差圧を測定することにより、主微粒子捕捉フィルタにおける微粒子の堆積量を、簡単かつ容易に測定することが可能となる。このため、ポストインジェクションによる燃費の悪化を抑制することが可能となる。さらに本発明によれば、副微粒子捕捉フィルタの再生を主微粒子捕捉フィルタと独立に実行することが可能となり、主微粒子捕捉フィルタ中における微粒子の堆積量を、副微粒子捕捉フィルタを使って常に、正確に測定することが可能となる。さらに、アッシュ堆積やフィルタや電極の劣化を受けにくく、正確な測定を行うことが可能となる。

本発明ではその際、前記副微粒子捕捉フィルタの下流側端部をディーゼルエンジンの低圧部に接続することにより、排ガスを前記副微粒子捕捉フィルタに確実に供給することが可能となる。かかる低圧部としては、ディーセルエンジンの吸気系あるいは排気系のいずれの低圧部を使ってもよい。

さらに本発明によれば、主排気ガスライン中の排ガスが副微粒子捕捉フィルタの再生に伴い、前記副排気ラインの通気抵抗が、前記副微粒子捕捉フィルタの再生により減少することで、前記副排気ラインに集中する問題を、前記副排気ラインにバルブを設け、その流量を一定に制御することで回避することが可能である。すなわち、主微粒子捕捉フィルタにおける微粒子の捕捉は、副微粒子捕捉フィルタと同様になされ、その結果、前記副微粒子捕捉フィルタの差圧測定により求めた主微粒子捕捉フィルタへの微粒子堆積量の推定値が、実際に主微粒子捕捉フィルタにおける微粒子量からずれる問題が回避される。

本発明の一実施形態において、ディーゼルエンジンの主排気ラインに設置された主微粒子捕捉フィルタと、前記主微粒子捕捉フィルタの上流側の分岐点で前記主排気ラインから分岐した副排気ラインと、前記副排気ラインに設置された、前記主微粒子捕捉フィルタのスートストレージ容量よりも小さなスートストレージ容量を有する副微粒子捕捉フィルタと、前記副排気ライン中、前記副微粒子捕捉フィルタの下流側に設けられ、前記分岐点における圧力よりも低い圧力を与える低圧部と、前記副微粒子捕捉フィルタの入口側と出口側の差圧を測定する差圧測定部と、を備えた排ガス浄化装置を提供する。

上記排ガス浄化装置の実施形態において、前記副微粒子捕捉フィルタの下流側において前記副排気ライン下流側端部が、前記ディーゼルエンジンの空気吸入部に接続されていることが好ましい。

また、前記下流側端部は、エアフィルタの上流側に接続されていることが好ましい。

また、前記副微粒子捕捉フィルタの下流側の前記副排気ライン下流側端部が前記主排気ラインに、前記主微粒子捕捉フィルタの下流側において接続されていることが好ましい。

また、前記副微粒子捕捉フィルタの下流側において前記副排気ライン下流側端部が、前記ディーゼルエンジンの排ガス再循環ラインに接続されていることが好ましい。

また、前記副排気ラインには、流量計あるいは同等のメータ（例えばガス流速計）が設置されていることが好ましい。

また、前記副排気ラインには、温度測定部が設置されていることが好ましい。

また、前記副微粒子フィルタには、ヒータが設置されていることが好ましい。

また、前記副排気ラインには、前記副排気ライン中における前記排ガスの流量を所定値に維持するバルブが設置されていることが好ましい。

また、前記差圧測定部、温度測定部、副微粒子捕捉フィルタ、および流量計あるいはこれに等価なメータ（例えばガス流速計）の少なくとも一つが、ホルダに格納されていることが好ましい。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
［第１の実施形態］
図６は、本発明の第１の実施形態による排ガス浄化装置２０の構成を示す。

図６を参照するに、図示しないディーゼルエンジンからの排ガスは、先に図２Ａで説明したのと同様な主微粒子捕捉フィルタ（ＤＰＦ）２２に、主排気ライン２１を介して導入され、前記主微粒子捕捉フィルタ（ＤＰＦ）２２は、前記排ガス中の微粒子を、先に図２Ｃおよび２Ｄで説明したように捕捉する。

さらに図６の構成では、前記主微粒子捕捉フィルタ（ＤＰＦ）２２から上流側において、副排気ライン２１Ａが前記主排気ライン２１から分岐し、前記副排気ライン２１Ａには副微粒子捕捉フィルタ２２Ａが、前記主微粒子捕捉フィルタ（ＤＰＦ）２２のスートストレージ容量よりも小さなスートストレージ容量で設けられている。さらに前記副微粒子捕捉フィルタ２２Ａの入口と出口の間の差圧ΔＰを測定する差圧計２２Ｂが設けられている。さらに図６の構成では、前記副排気ライン２１Ａに前記副微粒子捕捉フィルタ２２Ａの下流側において流量計２４と制御バルブ２３とが設けられ、前記制御バルブ２３は前記副排気ライン２１Ａにおける排ガス流量を、前記流量計２４による測定に基づいて、一定に維持するのに使われる。この制御バルブ２３と流量計２４とは、前記副排気ライン２１Ａのどこに設けてもよい。ここで前記副微粒子捕捉フィルタ２２Ａと、前記差圧計２２Ｂと、流量計２４とは、排ガス中に含まれる微粒子の量を測定する微粒子（ＰＭ）センサを構成する。前記微粒子（ＰＭ）センサは、温度測定部（Ｔ１）を含むように構成されていてもよい。さらに、前記主微粒子捕捉フィルタ（ＤＰＦ）２２に温度測定部Ｔ２を設けることも可能である。

この排気ライン中の温度測定部は、次のいずれに設けてもよい。（１）主微粒子捕捉フィルタの内部、（２）副微粒子捕捉フィルタの内部、（３）これに接続された配管（パイプ）内、（４）主微粒子捕捉フィルタの表面、あるいは（５）副微粒子捕捉フィルタの表面。排ガス温度の正確な測定が可能となるという観点からは、構成（１）あるいは（２）が好ましく、特に構成（２）がより好ましい。

図６の例では、前記主微粒子捕捉フィルタ（ＤＰＦ）２２は、３５〜６５％の気孔率を有するＳｉＣなどの多孔質セラミックよりなり、ハニカム構造を形成するが、前記ガス流れ方向に垂直な断面において、一辺が１．１ｍｍの矩形のガス通路が、図２Ｂのガス通路１２ａに対応して形成されていることがわかる。ここではガス通路は互いに約０．３ｍｍの距離だけ離れて形成されており、全体として格子状のパターンを形成している。

図７Ａは、前記副微粒子捕捉フィルタ２２Ａを含む全体構成を示し、一方図７Ｂは前記副微粒子捕捉フィルタ２２Ａの原理を示す。

前記副微粒子捕捉フィルタ２２Ａは、前記主微粒子捕捉フィルタ（ＤＰＦ）２２と同様な多孔質セラミックにより構成することができる。前記副微粒子捕捉フィルタを多孔質セラミックにより構成する場合には、前記副微粒子捕捉フィルタがＳｉＣなどの多孔質セラミックよりなり、矩形形状のセル２２ｂを含むのが好ましい。ここで、前記主微粒子捕捉フィルタ２２（ＤＰＦ）中における排ガス通路（図３の通路１２ａに対応）の総容積の５％以下、例えば０．０５〜５％、あるいは６５ｍｌ以下、例えば０．０５〜６５ｍｌの容積、あるいは０．１〜１０００ｃｍ²（好ましくは１〜１０ｃｍ²）の濾過面積を有する単一のガス通路２２ａが形成される。前記ガス通路２２ａは、例えば矩形断面形状を有し、その一端が閉じられている（１セルの場合には後端が閉じられる）。ここで、前記ガス通路２２ａの外形形状あるいは前記副微粒子捕捉フィルタ２２Ａ（セル２２ｂ）の外形形状は、前記主微粒子捕捉フィルタ（ＤＰＦ）２２のガス通路の断面形状と同一である必要はなく、円形、正方形、八角形、楕円形など、任意形状であってよい。さらに、前記微粒子捕捉フィルタ２２Ａ（セル２２ｂ）を構成する多孔質セラミックは、前記主微粒子捕捉フィルタ（ＤＰＦ）２２を構成する多孔質セラミックと同一である必要はない。また前記副微粒子捕捉フィル２２Ａ（セル２２ｂ）は、セラミック以外に材料で形成されていてもよい。

前記ガス通路２２ａを、前記主微粒子捕捉フィルタ（ＤＰＦ）２２中の排ガス通路（図３の通路１２ａに対応）の５％以下の容積に形成することにより、あるいは６５ｍｌ以下の容積に形成することにより、あるいは０．１〜１０００ｃｍ²（好ましくは１〜１０ｃｍ²）の濾過面積に形成することにより、前記主微粒子捕捉フィルタ（ＤＰＦ）２２中の微粒子の堆積量の測定を簡単な手順で行うことが可能となる。

前記セル２２ｂは、排ガス温度Ｔを測定する温度測定部が設けられ、前記温度測定部には、熱電対２２ｄが設けられている。さらに、前記セル２２ｂの周りには前記内壁に堆積した微粒子層（煤層）２２ｃを燃焼させ前記副微粒子捕捉フィルタ２２Ａを再生するために、ヒータ２２ｈが巻回されている。さらに、セル２２ｂと熱電対２２ｄとヒータ２２ｈとは、ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃などよりなる円筒形のホルダ２２ｅ中に、Ａｌ₂Ｏ₃などの絶縁物（インシュレータ）２２ｉを介して格納されており、さらに前記ホルダ２２ｅには、前記差圧ΔＰを測定するダイアフラム圧力計２２Ｂが、前記副排気ライン２１Ａ中の排ガスが前記圧力計２２Ｂに供給されるように設けられている。前記ホルダ２２ｅは金属ハウジングに格納されており、微粒子（ＰＭ）センサとして前記副排気ラインに設置される。前記ホルダ２２ｅは、また前記副排気ラインの配管内に設置してもよいし、前記副排気ライン中に、金属ハウジングに格納した状態で設置してもよい。

そこで、前記副排気ライン２１Ａ中の排ガスが前記セル２２ｂの排ガス通路２２ａに導入されると、前記排ガスは前記セル２２ｂの壁面を通過してセル外側へと流れ、前記排ガス中の微粒子が図２Ｃの場合と同様に捕捉される。その際、微粒子は前記セル２２ｂの内壁面に堆積し、微粒子層２２ｃを形成する。

本発明では、このようにして捕捉され前記微粒子捕捉フィルタ２２の内壁面に堆積した微粒子２２ｃの堆積量が、このようにして得られた前記差圧ΔＰと排ガス温度Ｔと排ガス流量Ｑとから、式（１）を使って、以下のように算出される。

図８は、前記図６の副微粒子捕捉フィルタ２２Ａのより詳細な構成を示す。

図８を参照するに、前記副排気ライン２１Ａ中の排ガスは、前記セル２２ｂ中のガス通路２２ａに、矢印で示すように供給され、前記セルを通過後、側方にあるいは後方に排出される。その際、前記セル２２ｂ上のヒータ２２ｈは駆動ライン２２ｂ１を介して供給される電力により駆動され、前記セル２２ｂにより捕捉された微粒子２２ｃの燃焼が生じる。さらに、前記ダイアフラム圧力計２２Ｂの出力信号が、信号ライン２２ｐを介して制御回路へと供給される。

前記図７Ａおよび７Ｂの副微粒子捕捉フィルタ２２Ａでは、前記副微粒子捕捉フィルタに捕捉された微粒子のスートロード量が、以下の式により算出される。

ΔＰ＝function（流量，温度，スートロード，形状）
以下に好ましい実例を示すが（他の表現を用いることも可能である）、この実例では、前記副微粒子捕捉フィルタに捕捉された微粒子層の厚さＷ［ｍ］が、以下の式により計算される。

ここでΔＰは差圧［Ｐａ］を表し、μは動粘性係数を表し、Ｑは［ｍ³／ｈ］で表した排ガス流量を表し、αはセルの一辺の長さを表し、ρは排ガスの比重を表し、Ｖtrapはフィルタ体積を表し、Ｗｓは壁厚を表し、Ｋｗは壁のガス透過率を表し、Ｋsootは、捕捉された微粒子層のガス透過率を表し、Wは捕捉された微粒子層の厚さを表し、Fは係数（＝２８．４５４）を表し、Lは有効フィルタ長さを表し、βは多孔質壁のフォルヒハイマー係数を表し、ζは排ガスの流入および流出の内部損失係数を表す。

次に、前記セル２２ｂにより捕捉された微粒子の質量ｍsootが、以下の式により求められる。

ここでｍsootは、捕捉された微粒子の質量［ｇ］を表し、Ncellsは、入口側のセルの開口数を表し、ρsootは、捕捉された微粒子の密度を表す。

そこで、ｍsootを、前記副微粒子捕捉フィルタの前回の再生時点から計った時間（経過時間）［ｈ］で除することにより、単位時間当たりの捕捉量ＰＭ［ｇ／ｈ］が求められる。

このように単位時間に堆積した微粒子の質量ＰＭ［ｇ／ｈ］が求められると、排ガス中の微粒子濃度ＰＭconc［ｇ／ｃｍ³］が、前記副微粒子捕捉フィルタ２２Ａを通過する排ガスの流量Ｑ２［ｍ³／ｈ］を使って求められる。

ＰＭ［ｇ／ｈ］＝ＰＭconc［ｇ／ｍ³］×Ｑ２［ｍ³／ｈ］ （３）
前記排ガス中の微粒子の濃度ＰＭconcは、前記副排気ライン２１Aにおいても主排気ライン２１においても同じ値をとるので、前記微粒子捕捉フィルタ２２に流入した微粒子の量Pmenter full filter［ｇ／ｈ］は、前記単位時間当たりの微粒子の質量ＰＭ［ｇ／ｈ］を使って、以下のように求められる。

ＰＭenter full filter［ｇ／ｈ］＝ＰＭconc［ｇ／ｍ³］×Ｑ１［ｍ³／ｈ］ （４）
さらに、これから、前記フィルタ中に堆積した微粒子の量が、フィルタの捕捉効率を勘案して求められる。以上の説明において、Ｑ１は、前記主微粒子捕捉フィルタ（ＤＰＦ）２２を通過する排ガスの流量を示す。Ｑ１は、実際の測定により、あるいはエンジンの運転状況から推定される。

図９は、図６の排ガス浄化装置において前記主微粒子捕捉フィルタ（ＤＰＦ）２２の前後において生じる差圧と、前記主微粒子捕捉フィルタ（ＤＰＦ）２２における微粒子の堆積量との関係を示す。ここで実線は、前記副微粒子捕捉フィルタ２２Ａおよび式（１）〜（４）を使って求められた、前記主微粒子捕捉フィルタ２２における微粒子堆積量を示す。一方、破線は、前記主微粒子捕捉フィルタ（ＤＰＦ）２２の前後における差圧から直接に求めた場合の、前記主微粒子捕捉フィルタ（ＤＰＦ）２２における微粒子の堆積量を示す。

図９を参照するに、前記主微粒子捕捉フィルタ（ＤＰＦ）２２の前後の差圧には、同じ微粒子堆積量で比較して、±５０％に達する誤差が生じていることがわかる。

これに対し、前記副微粒子捕捉フィルタの前後における差圧ΔＰを求め、式（１）〜（４）を使うことにより、前記主微粒子捕捉フィルタ（ＤＰＦ）２２に捕捉された微粒子の堆積量を、±１０％の誤差で求めることが可能である。

そこで、本発明によれば、図６の排ガス浄化装置において、前記主微粒子捕捉フィルタ（ＤＰＦ）２２中における微粒子の堆積量を、よりスートストレージ容量の小さい前記副微粒子捕捉フィルタ２２Ａにおいて生じる差圧ΔＰを測定することで、正確に見積もることが可能となり、その結果に基づいてポストインジェクションを行うことにより、前記主微粒子捕捉フィルタ（ＤＰＦ）２２の再生を、最適なタイミングで実行することが可能となる。これにより、不要なポストインジェクションが回避され、車両の燃費が向上する。

図６の構成において、流量計２４は、公知のベンチュリ流量計、ホットワイヤ流量計などを使うことが可能であり、その際、前記流量計２４は前記副排気ライン２１Ａ中における排ガス流量を、制御バルブ２３を用いて例えば５０〜６０００ｍｌ／分の範囲において、略一定に制御することが可能である。これにより、排ガスが前記副排気ライン２１Ａに偏って流れるのが回避され、前記主微粒子捕捉フィルタ（ＤＰＦ）２２中の微粒子堆積量を、前記副微粒子捕捉フィルタ２２Ａにより得られた堆積量から、より高精度に求めることが可能となる。

ここで、「前記副微粒子捕捉フィルタの入口と出口の間の差圧を測定する差圧測定部」とは、前記副微粒子捕捉フィルタの入口と出口の差圧を測定する差圧計を含むのみならず、微粒子捕捉フィルタ２２Ａの出口側にのみ、圧力計を使う構成をも含むものである。かかる構成では、初期状態（再生直後の状態）の圧力値が記憶されており、前記差圧は、前記副微粒子捕捉フィルタ２２Ａに微粒子の堆積が生じた状態の圧力を測定し、このようにして得られた圧力値を前記記憶された初期圧力値から差し引くことにより求められる。

さらに前記差圧を測定するに当たり、前記流量計あるいは流速計を、前記副微粒子捕捉フィルタの入口側および出口側に、あるいは出口側のみに設けることも可能である。かかる構成によれば、前記差圧は、前記副微粒子捕捉フィルタの入口側および出口側に設けられた流量計、流速計、などの読み取り値から求められる。あるいは、前記差圧は、前記副微粒子捕捉フィルタの出口側の前記流量計や流速計の読み取り値から、初期状態（再生直後の状態）の読み取り値と前記副微粒子捕捉フィルタに微粒子の堆積が生じた状態の読み取り値を比較することにより、求めることができる。

本発明は、前記副微粒子捕捉フィルタ２２Ａについて求めた差圧から、前記主微粒子捕捉フィルタ（ＤＰＦ）２２に捕捉された微粒子の量を、式（１）を使うことにより求めることを特徴としており、前記副微粒子捕捉フィルタの差圧を求めるには、従来差圧を測定するのに使われているものを含め、如何なる計測器を使ってもよい。
［第２の実施形態］
図１０は、図６の排ガス浄化装置を使った本発明の第２の実施形態による排ガス浄化方法を示すフローチャートである。

図１０を参照するに、前記副排気ライン２１Ａ中の流量は、ステップ１において、前記流量計２４を使うことにより、また場合によってはバルブ２３を使うことにより、５０〜６０００ｍｌ／分の範囲に設定され、前記副微粒子捕捉フィルタ２２Ａ前後の差圧ΔＰが、前記差圧計２２Ｂにより検出される。さらに、前記温度測定部Ｔ１を使って、前記排ガスの温度Ｔが測定される。

次にステップ２において、前記副微粒子捕捉フィルタ２２Ａに捕捉された微粒子の層厚Ｗが、前記ステップ１で求められた差圧ΔＰから、式（１）に従って求められる。ここで、前記排ガスの温度Ｔは、前記副微粒子捕捉フィルタ２２Ａの温度測定部Ｔ１を使う代わりに、前記主微粒子捕捉フィルタ（ＤＰＦ）２２の温度測定部Ｔ２を使って求めてもよい。さらに、前記温度Ｔは、前記温度測定部Ｔ１，Ｔ２の温度から算出（例えば平均値、最大値、最小値など）することもできる。前記微粒子の量を正確に算出することが可能となるという観点からは、前記副微粒子フィルタ２２Ａの温度測定部Ｔ１を使うことが好ましい。前記温度測定部としては熱電対を使うことができるが、温度を測定できるものならどのようなものでも使うことができる。さらに排気管内の排ガス温度を測定するのが好ましいが、フィルタあるいはセルの温度を測定してもよい。

さらにステップ２では、セル２１ｂにより捕捉された微粒子の質量ｍsootが、ステップ１で検出された層厚Wから、前記式（２）により求められる。

さらにステップ３において、前記副微粒子捕捉フィルタ２２Aのセル２２ｂに堆積した微粒子層の質量ｍsootが所定の閾値Ｔｈ0を超えたか否かが判定され、結果がNO（Th0を越えていない場合）であれば、プロセスはステップ１に戻される。

一方、前記ステップ３において前記副微粒子捕捉フィルタ２２Aのセル２２ｂに堆積した微粒子層の質量ｍsootが前記所定閾値Ｔｈ0を超えた場合には、ステップ４において前記ヒータ２２ｈが駆動され、微粒子２２ｃが燃焼により除去される。

一方、図１０のプロセスでは、ステップ１１において、前記ステップ２で求められた前記セル２２ｂ中に捕捉された微粒子の質量ｍsootを使って、前記排ガス中に微粒子の濃度ＰＭが前記式（３）により求められ、前記主微粒子捕捉フィルタ２２に堆積した微粒子の量PMenter full filterが、前記式（４）および前記主微粒子捕捉フィルタ（ＤＰＦ）２２の捕捉効率から、求められる。

そこでステップ１２では、前記主微粒子捕捉フィルタ（ＤＰＦ）２２中における微粒子堆積量ＰＭenter full filterが所定の閾値Ｔｈ１を超えたか否かが判定され、判定結果がＮＯ（Th1を越えていない場合）であれば、プロセスはステップＳ１１に戻される。

一方、前記ステップ１２において、前記主微粒子捕捉フィルタ（ＤＰＦ）２２中における微粒子の堆積量ＰＭenter full filterが前記閾値Ｔｈ１を超えていると判定された場合には、ステップ１３においてエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）をコントロールしてポストインジェクションが行われ、前記主微粒子捕捉フィルタ（ＤＰＦ）２２中に堆積した微粒子が、燃焼により除去される。これにより、フィルタの再生がなされる。

図１０のプロセスでは、前記副微粒子捕捉フィルタ２２Ａの再生と主微粒子捕捉フィルタ（ＤＰＦ）２２の再生とを独立に実行することができ、前記副微粒子捕捉フィルタ２２Ａを構成するセル２２ｂ中に堆積した微粒子２２ｃの量、すなわち煤層の量を、例えば０．５ｇ／ｌ以下の小さな値に常時維持することが可能である。かかる構成によれば、副微粒子捕捉フィルタ２２Ａを使った微粒子センサの感度を向上させることができる。

図６の構成では、バルブ２３が前記副排気ライン２１Ａに設置されているが、前記副微粒子捕捉フィルタ２２Ａの再生を前記主微粒子捕捉フィルタ（ＤＰＦ）２２と独立に行っても、排ガスが主として前記副微粒子捕捉フィルタを流れてしまうような状況が生じることはなく、前記主微粒子捕捉フィルタ（ＤＰＦ）２２中の微粒子堆積量の見積もりに誤差が生じることはない。

その際、前記バルブ２３は、前記副排気ライン２１Ａ中のガス流量を厳密に一定に維持する必要はなく、前記副排気ライン２１Ａへの極端な排ガスの偏りを回避できれば十分である。

このように、本発明の第２の実施形態では、前記差圧ΔＰと前記排ガスの温度Ｔと前記排ガス流量Ｑとが測定され（ステップ１）、前記第２の微粒子捕捉フィルタにより捕捉された微粒子の質量が、前記測定結果から、前記式（１）および（２）を使って求められ（ステップ２）、前記主微粒子捕捉フィルタに捕捉された微粒子の量が、前記式（３）、（４）、および、さらに前記主微粒子捕捉フィルタの捕捉効率を使って求められる（ステップ１１）。

一方、前記主微粒子捕捉フィルタ中に捕捉された微粒子を求めるプロセスは、図１１に示すように変形することもできる。

図１０において、また以下に説明する図１１においても、前記主微粒子捕捉フィルタ（ＤＰＦ）２２はＤＰＦとして表記され、一方前記副微粒子捕捉フィルタ２２Ａは副ＤＰＦとして表記されている。さらに、前記微粒子の堆積は、「ＤＰＭｄｅｏｐｏ」と表記されている。

すなわち、図１１において、前記主微粒子捕捉フィルタに捕捉された微粒子の量を求めるプロセス（ステップ１１）は、前記ステップ１で得られた測定結果を使って、前記副微粒子捕捉フィルタ中に捕捉された微粒子の量を求めるプロセス（ステップ２）と並行して行われる。

図１２は、図６の排気ガス浄化装置を組み込んだディーゼルエンジンシステムの全体構成を示す。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。

図１２の本発明の一実施形態において、ディーゼルエンジンの主排気ライン２１に設置された主微粒子捕捉フィルタ２２と、前記主微粒子捕捉フィルタ２２の上流側の分岐点で前記主排気ライン２１から分岐した副排気ライン２１Ａと、前記副排気ライン２１Ａに設置された、前記主微粒子捕捉フィルタ２２のスートストレージ容量よりも小さなスートストレージ容量を有する副微粒子捕捉フィルタ２２Ａと、前記副排気ライン２１Ａ中、前記副微粒子捕捉フィルタ２２Ａの下流側に設けられ、前記分岐点における圧力よりも低い圧力を与える低圧部（１），（２），（３）と、前記副微粒子捕捉フィルタ２２Ａの入口側と出口側の差圧を測定する差圧測定部２２Ｂ（図６参照）と、を備えた排ガス浄化装置を提供する。

上記排ガス浄化装置の実施形態において、前記副微粒子捕捉フィルタ２２Ａの下流側において前記副排気ライン２１Ａ下流側端部が、前記ディーゼルエンジンの空気吸入部（２）に接続されていることが好ましい。

また、前記下流側端部は、エアフィルタ１１ＡＦの上流側（２）に接続されていることが好ましい。

また、前記副微粒子捕捉フィルタ２２Ａの下流側の前記副排気ライン２１Ａ下流側端部が前記主排気ライン２１に、前記主微粒子捕捉フィルタ２２の下流側（１）において接続されていることが好ましい。

また、前記副微粒子捕捉フィルタ２２Ａの下流側において前記副排気ライン２１Ａ下流側端部が、前記ディーゼルエンジン１１の排ガス再循環ライン（３）に接続されていることが好ましい。

ただし上記の丸付きかっこで示す参照符号は、図１２中、丸で囲んだ参照符号に対応する。

図１２を参照するに、ディーゼルエンジン１１は、吸気管１１inを含む吸気系および主排気ライン２１を含む排気系を備えており、前記吸気管１１inには、エアフィルタ１１ＡＦが設けられている。前記吸気管１１inの一部には、前記エアフィルタ１１ＡＦの下流側に、排ガスで駆動され、吸入したエアを圧縮するターボチャージャ１１ＴのインペラＣが設けられており、前記ターボチャージャ１１Ｔで圧縮されたエアは、エアクーラー１１ＡＣで冷却された後、バルブ１１ＡＶで流量制御されながら、前記ディーゼルエンジン１１に導入される。

前記ディーゼルエンジン１１の排気ガスは前記排気ライン２１に排出され、前記ターボチャージャ１１ＴのタービンＴを駆動した後、酸化物触媒（ＤＯＣ）２２Ｏｘおよび図６の主微粒子捕捉フィルタ（ＤＰＦ）２２を介して排出される。また前記エンジン排気ガスの一部は、前記主排気ライン２１から、バルブ２１Ｖを含むＥＧＲシステムにより、エンジンの上流側、吸気管に、ＮＯｘ低減のために戻される。

また前記エアフィルタ１１ＡＦには、前記吸気管１１in中の空気温度および流量を測定するセンサＳ１が設けられており、前記バルブ１１ＡＶとエンジン１１の間には、吸気エア温度および圧力を測定するセンサＳ２，Ｓ３が設けられている。さらに前記主排気ライン２１には、前記酸素触媒２２Ｏｘから排出された排ガスの温度を促成するセンサＳ４が設けられ、さらに図６の構成に対応して、前記主微粒子捕捉フィルタ（ＤＰＦ）２２前後の差圧を測定する差圧計（図示せず）が設けられている。

図１２の構成では、図６で説明した副排気ライン２１Ａが前記主排気ライン２１から分岐しており、前記副排気ライン２１Ａに副微粒子捕捉フィルタ２２Ａが設けられている。その際、前記副微粒子捕捉フィルタ２２Ａの排気出口は、（１）前記主微粒子捕捉フィルタ（ＤＰＦ）２２の下流側端、（２）前記吸気管１１inのうち、前記エアフィルタの上流側、（３）前記ＥＧＲシステムの一部、特にエンジンの排気側とバルブ２１Ｖの間など、前記副微粒子捕捉フィルタ２１Ａの入口よりも圧力の低い部分に接続され、前記主排気ライン２１中の排ガスが、前記副微粒子捕捉フィルタ２２Ａに吸引される。これは、前記図６の構成において、副微粒子捕捉フィルタ２２Ａの下流側に吸引ポンプを接続したのと同じであり、前記副微粒子捕捉フィルタ２２Ａに排ガスを確実に供給することが可能となる。

さらに、以上では、前記主微粒子フィルタ（ＤＰＦ）２２および副微粒子捕捉フィルタ２２Ａとして、ＳｉＣよりなるハニカム部材を使う場合について説明したが、本発明はかかる特定のフィルタ部品に限定されるものではなく、Ｓｉ−ＳｉＣ、窒化アルミニウムや窒化珪素、窒化硼素、窒化タングステンなどの窒化物、炭化ジルコニウム、炭化チタン、炭化タンタル、炭化タングステンなどの炭化物、アルミナ、酸化ジルコニウム、コージエライト、ムライト、シリカ、チタン酸アルミニウムなどの酸化物、あるいはステンレスなどの金属の多孔質体を使うことも可能である。また、ハニカム構造の他にも、コルゲートやエレメント板などの構造体を使うことも可能である。

本発明の実施形態の排ガス浄化装置は小型であり、トラックや産業機械などの大型車両のみならず、乗用車にも適用可能である。

従来の排ガス浄化装置を使ったエンジンの全体図である。 微粒子捕捉フィルタの概略的構成を示す図である。 微粒子捕捉フィルタの構成要素を示す図である。 微粒子捕捉フィルタの動作原理を示す図である。 微粒子捕捉フィルタにより捕捉された微粒子の状態を示す図である。 本発明の関連技術による従来の排ガス浄化装置を使ったエンジンシステムの全体構成を示す図である。 図３の排ガス浄化装置の問題点を説明する図である。 図３の排ガス浄化装置の問題点を説明する別の図である。 本発明の第１の実施形態による排ガス浄化装置の構成を示す図である。 図６で使われる副微粒子捕捉フィルタの構成を示す図である。 図７Ａの副微粒子捕捉フィルタの原理を説明する図である。 図６の副微粒子捕捉フィルタを使った微粒子（ＰＭ）センサの構成を示す図である。 本発明の効果を説明する図である。 本発明の第２の実施形態による排ガス浄化装置における微粒子捕捉フィルタの再生動作を説明するフローチャートである。 本発明の第２の実施形態による排ガス浄化装置における微粒子捕捉フィルタの他の再生動作を説明するフローチャートである。 図６の排ガス浄化装置を含むディーゼルエンジンの全体構成を示す図である。

符号の説明

１１ ディーゼルエンジン
１２ 排気ライン
１２Ａ フィルタユニット
１２Ｂ 微粒子捕捉フィルタ（ＤＰＦ）
１２ａ ガス通路
１２ｂ 多孔質部材
１２ｃ 微粒子
２０ 排ガス浄化装置
２１ 主排気ライン
２１Ａ 副排気ライン
２２ 主微粒子捕捉フィルタ（ＤＰＦ）
２２Ａ 副微粒子捕捉フィルタ
２２ａ 排ガス通路
２２ｂ セル
２２ｂ１ 駆動ライン
２２ｃ 微粒子層
２２ｄ 熱電対
２２ｅ ホルダ（容器）
２２ｈ ヒータ
２２ｉ 絶縁物（インシュレータ）
２２ｐ 信号ライン
２３ 制御バルブ
２４ 流量計

Claims (10)

1. ディーセルエンジンの主排気ラインに設置された主微粒子捕捉フィルタと、
   前記主微粒子捕捉フィルタ上流側の分岐点において前記主排気ラインから分岐された副排気ラインと、
   前記副排気ラインに設置された、前記主微粒子捕捉フィルタのスートストレージ容量よりもスートストレージ容量の小さい副微粒子捕捉フィルタと、
   前記副排気ライン中、前記副微粒子捕捉フィルタの下流側に設けられ、前記分岐点の圧力よりも低い圧力を与える低圧部と、
   前記副微粒子捕捉フィルタの入口と出口の間に生じる差圧を測定する差圧測定部と、を備えた排ガス浄化装置
2. 前記副排気ラインは、前記副微粒子捕捉フィルタの下流側に下流側端部を有し、前記下流側端部は、前記ディーゼルエンジンの空気吸入部に接続されている請求項１記載の排ガス浄化装置。
3. 前記下流側端部は、エアフィルタの上流側に接続されている請求項２記載の排ガス浄化装置。
4. 前記副排気ラインは、前記副微粒子捕捉フィルタの下流側に下流側端部を有し、前記下流側端部は、前記主排気ラインに、前記主微粒子捕捉フィルタの下流側において接続されている請求項１記載の排ガス浄化装置。
5. 前記副排気ラインは、前記副微粒子捕捉フィルタの下流側に下流側端部を有し、前記下流側端部は、前記ディーゼルエンジンの排気ガス再循環ラインに接続されている請求項１記載の排ガス浄化装置。
6. 前記副排気ラインには、さらに流量計または同等のメータが設置されている請求項１〜５のいずれか一項記載の排ガス浄化装置。
7. 前記副排気ラインには、さらに温度測定部が設置されている、請求項１〜６のいずれか一項記載の排ガス浄化装置。
8. 前記副微粒子捕捉フィルタには、ヒータが設置されている請求項１〜７のいずれか一項記載の排ガス浄化装置。
9. 前記副排気ラインには、前記副排気ライン中における前記排ガスの流量を所定値に維持するバルブが設置されている請求項１〜８のいずれか一項記載の排ガス浄化装置。
10. 前記差圧測定部、前記温度測定部、前記副微粒子捕捉フィルタおよび前記流量計またはこれと同等のメータのうち少なくとも一つが、ホルダに格納されている請求項１〜９のいずれか一項記載の排ガス浄化装置。