CN1195940C - 柴油发动机的废气净化装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在由DPF收集的PM燃烧之际，过滤器不会烧坏或破损的柴油发动机的废气净化装置。在排气通路13中，设有第1排气净化组件21和位于第1排气净化组件21下游侧的第2排气净化组件22，其中，第1排气净化组件21具有氧化催化剂51和由纤维质材料构成的第1DP，而第2排气净化组件22具有氧化催化剂52和通过多孔质材料形成多个平行小室并由交替堵塞小室的入口和出口的蜂窝状构造构成的第2DPF40。

Description

柴油发动机的废气净化装置

本发明涉及一种柴油发动机的废气净化装置，特别是涉及一种除去废气中微粒的柴油发动机的废气净化装置。

对柴油发动机车辆排放气体的限制一年比一年强化，特别是，降低以碳为主要成分的微粒(以下称作PM)成为当务之急。作为除去这种PM的装置，已知的有柴油微粒过滤器(以下称作DPF)，现在已开始要求柴油发动机车辆有安装DPF的义务。

对于DPF的材料或构造已进行了种种研究，例如，已知一种通过将金属丝网在毡化的陶瓷纤维两面重叠形成层积体，将该层积体蛇腹状卷绕在多孔管上的纤维型过滤器；或者通过多孔质的堇青石，形成多个平行小室，并交替堵塞小室的入口和出口的蜂窝状构造构成的壁流动型(ゥォ-ルフロ-型)蜂窝状过滤器。一般地，纤维型的DPF在纤维密度高时可收集粒径小的PM，但如果在纤维密度高于规定值情况下构成时，因压力损失变大，背压变高，会影响发动机的性能。因此，对于在不影响发动机性能的范围内设定的纤维密度的纤维型DPF，收集非常小粒径的PM会受到限制。此外，壁流动型DPF因压力损失小，在不影响发动机性能的范围内，也可收集纤维型不能收集的小粒径PM。有关纤维型DPF技术已由日本特开平9-137712号公报等公开，而有关壁流动型DPF技术已由日本特开平9-94434号公报等公开。

另外，对于燃烧DPF所收集的PM，使DPF再生的方法也进行了各种研究，例如，已知用电加热器或燃烧炉等加热燃烧PM的方法，或者借助于氧化催化剂使排放气体中的NO氧化成NO₂，并用NO₂燃烧PM的方法(以下，称作连续再生式)。其中，连续再生式DPF因在400℃以下的低温下PM就燃烧，所以没有必要设置电加热器等特别的加热装置，这非常有利装置整体的简化和紧凑。此外，有关连续再生式DPF技术已由日本特许第3012249号公报等公开。

由上述连续再生方式燃烧PM的DPF中，在排放气体温度为250℃～400℃范围内，激发了PM的燃烧。因此，在排放气体温度处于上述范围外的运转范围内，收集的PM不会燃烧，PM堆积于DPF中。另外，PM在600℃左右以上的温度时，如存在适量的氧气，因自燃属性，如流过600℃以上的排放气体，PM就会自然燃烧。因此，在DPF中堆积大量PM状态下，一旦PM自燃，因PM急剧燃烧，DPF自身温度会上升到2000℃以上。

在纤维型DPF中，即使发生如此的自燃现象，如采用耐热性好的陶瓷纤维，则纤维自身不会烧坏，此外，即使陶瓷纤维因热膨胀，由于纤维自身柔软，膨胀的部分由纤维间的空间在一定程度上吸收，构成过滤器的金属丝网或多孔管因膨胀的陶瓷纤维接受应力，从而也不会破损。但是，如采用壁流动型DPF产生同样的现象时，在多孔质材料为堇青石情况下，因耐热温度在1000℃以下，会发生过滤器烧坏的问题。另外，多孔质材料为碳化硅情况下，虽然具有2000℃以上的耐热性，但热膨胀率高，用蜂窝状构造不能吸收这种膨胀，会发生过滤器龟裂、破损的问题。

本发明鉴于以上问题，其主要技术目的在于提供一种柴油发动机的废气净化装置，将耐高温的纤维型DPF与可收集小粒径PM的壁流动型DPF进行组合，通过各自收集PM，降低壁流动型DPF中PM的收集负担，抑制PM堆积，防止自燃引起的急剧燃烧，可防患于未然地防止过滤器烧坏或破损。

根据本发明，为解决上述主要技术目的，所提供的柴油发动机的废气净化装置的特征在于，在柴油发动机的排气通路中设有第1排气净化组件和位于该第1排气净化组件下游侧的第2排气净化组件，其中，第1排气净化组件具有氧化催化剂和由纤维质材料构成的、收集排放气体中PM的第1DPF，第2排气净化组件具有氧化催化剂和通过多孔质材料形成多个平行小室，并交替堵塞该小室的入口与出口的蜂窝状构造构成的、收集排放气体中PM的第2DPF。

该第1柴油微粒过滤器收集的微粒的最小粒径设定为2～4μm；该第2柴油微粒过滤器收集的微粒的最小粒径设定为0.5μm。

以下结合附图说明本发明的实施例。

图1为本发明的柴油发动机的废气净化装置一实施例示意的构成图，

图2为构成图1所示废气净化装置的第1柴油微粒过滤器的径向剖视图，

图3为图2所示的第1柴油微粒过滤器的排放气体流通方向的剖视图，

图4为构成图1所示废气净化装置的第2柴油微粒过滤器的径向剖视图，

图5为图4所示的第2柴油微粒过滤器的排放气体流通方向的剖视图，

图6(a)为示出转速为1000rpm、排放气体温度为250℃时PM的粒径分布图，(b)为示出转速为3200rpm、排放气体温度为700℃时的PM粒径分布图。

以下，根据附图说明本发明的一实施例。

图1为本发明的柴油发动机的废气净化装置一实施例示意的构成图，图2为构成图1所示废气净化装置的第1柴油微粒过滤器(第1DPF)的径向剖视图，图3为图2所示的第1DPF的排放气体流通方向的剖视图，图4为构成图1所示废气净化装置的第2柴油微粒过滤器(第2DPF)的径向剖视图，图5为图4所示的第2DPF的排放气体流通方向的剖视图。

图1的柴油发动机10具有由汽缸体或汽缸头等构成的发动机本体11、将空气导入发动机本体11上形成的汽缸内的吸气通路12和将来自发动机本体11的汽缸中的排放气体排出的排气通路13。排气通路13由排气管14和排气歧管15构成，排气歧管15与发动机本体11连接。

在排气管14上，从其上游侧分别设有第1排气净化组件21和第2排气净化组件22。首先，对第1排气净化组件21加以说明。

第1排气净化组件21由氧化催化剂51和第1DPF30构成。氧化催化剂51和第1DPF30串联设置，氧化催化剂位于上游。氧化催化剂51使用了例如在蜂窝状的堇青石，或者在耐热钢构成的载体表面涂覆活性氧化铝等以形成淡涂层(ゥォッシュコ-ト)，该涂覆层中载置铂、钯或者铑等贵金属构成的催化剂活性成分。该氧化催化剂51氧化排放气体中的NO以生成NO₂，同时，排放气体中的HC与CO氧化以生成H₂O和CO₂。

接着，参照图2和图3说明第1DPF30。

第1DPF30具有圆筒形罩体31，在罩体31内，中空圆柱形过滤器32与罩体31同轴设置。过滤器32的结构为，在毛毡式陶瓷纤维32a的两面叠加耐热性金属丝网32b形成层积体，该层积体将弯曲成波形的圆筒形多孔管33包围。陶瓷纤维32a例如可使用碳化硅纤维等，设定毡化的陶瓷纤维32a的纤维直径等，使得第1DPF30收集的PM的最小粒径为2～4μm。此外，为了能收集上述粒径的PM，毛毡化的陶瓷纤维32a的纤维直径最好为14～15μm。多孔管33的入口侧(图3中左侧)关闭，出口侧(图3中右侧)开放，其周壁形成多个小孔33a。带子34卷绕在过滤器32的两端部，通过皮带34，过滤器32在轴向紧固。过滤器32的两端装有环状板35a，35b。环状板35a，35b的内径大致与多孔管33的外径相同，使多孔管33穿通并焊接于环状板35a，35b上。这样，第1DPF30就构成了纤维型过滤器。排放气体一旦流入第1DPF30，如图3箭头所示，排放气体经环状板35a的外周通过过滤器32。排放气体一旦通过过滤器32，排放气体中的PM就由陶瓷纤维32a收集。之后，排放气体通过小孔33a，流入多孔管33内，并从多孔管33的出口流出。

下面对第2排气净化组件22加以说明。

第2排气净化组件22由氧化催化剂52和第2DPF40构成。氧化催化剂52和第2DPF40串联设置，氧化催化剂52位于上游侧。氧化催化剂52可使用构成或成分与构成上述第1废气净化装置21的氧化催化剂51相同的氧化催化剂，将排放气体中的NO氧化，以生成NO₂。

接着，参照图4和图5说明第2DPF。

第2DPF40由多孔质材料以平行于排放气体流通方向形成多个小室41的、圆柱状蜂窝状构造而成。多孔质材料例如可使用堇青石或碳化硅等。小室41以径向断面大致为正方形而形成，划分各小室41的隔壁45上形成可阻止排放气体中PM通过的细孔。在此，细孔的孔径设定成，用第1DPF30不能收集的小粒径PM也能由第2DPF40收集，具体设定为收集的PM最小粒径为0.5μm。此外，为了能够收集上述的粒径PM，细孔的孔径最好为0.5～1.0μm。小室41的两端由陶瓷等构成的堵塞材料44交替堵塞，使得小室41的入口部42(图5中左侧)和出口部43成为交替封闭的状态。这样，第2DPF40构成壁流动型蜂窝状过滤器。一旦排放气体流入第2DPF40，如图5箭头所示，排放气体从没有堵塞材料44的开放的入口部42流入小室41，并通过隔壁45。排放气体一旦通过隔壁45，则排放气体中的PM由隔壁45收集，而排放气体从没有堵塞材料44的开放的出口部43流出。

图1所示实施例的柴油发动机10的废气净化装置构成如上，从发动机本体11的汽缸排出的排放气体由设置在排气通路13上的第1排气净化组件21和第2排气净化组件22净化。下面，对第1排气净化组件21和第2排气净化组件22净化排放气体中PM的一系列工艺过程加以说明。

首先，排放气体流入第1排气净化组件21中，排放气体一旦通过氧化催化剂51，就氧化排放气体中的NO，以生成NO₂。接着，如排放气体通过第1DPF30，则粒径在2～4μm以上的PM由第1DPF30收集。在此，由第1DPF30收集的PM与由氧化催化剂51生成的NO₂产生 、 的化学反应。即，由第1DPF30收集的PM通过NO₂氧化(燃烧)成CO或者CO₂。如此，一旦排放气体由第1排气净化组件21净化，排放气体就流入第2排气净化组件22中。在第2排气净化组件22中，经过与第1排气净化组件21同样的工艺过程进行PM的收集和燃烧，但在第2DPF40中，能够收集第1DPF30不能收集的小粒径PM即粒径为0.5μm以上的PM。通过上述处理，可净化排放气体中的PM。

在此，参照图6说明各DPF收集的PM与收集效率之间的关系。

图6(a)为转速1000rpm、排放气体温度为250℃时的PM粒径分布，图6(b)为转速为3200rpm、排放气体温度为700℃时PM的粒径分布。柴油发动机10如在图6(a)所示的条件下即转速为1000rpm、排放气体温度为250℃情况下，使排放气体通过排气通路13时，由于用第1DPF30能收集粒径为2～4μm以上的PM，能收集PM总量的60～70％。而且，用第2DPF40可收集第1DPF30不能收集的、剩余的几乎全部的PM。而柴油发动机10如在图6所示的条件下即转速为3200rpm、排放气体温度为700℃情况下，使排放气体通过排气通路13时，用第1DPF30可收集PM总量的90％以上。而第2DPF40可收集第1DPF30不能收集的、剩余的几乎全部的PM。

正如上述，图示实施例的柴油发动机10的废气净化装置由于是由第1DPF30收集PM的大半，而第2DPF40只收集粒径小的PM，所以PM只少量堆积。因此，即使600℃以上的高温排放气体流过排气通路13，由于PM堆积较多的第1DPF30是由纤维型过滤器构成，即使PM急剧燃烧，也不会烧坏。此外，第2DPF40由于如上所述只堆积少量PM，PM不会急剧燃烧，不会发生烧坏或破损现象。

在图示实施例中，由于将第1DPF30收集的PM的最小粒径设定为2～4μm，第2DPF40收集的PM的最小粒径设定为0.5μm，柴油发动机10在图6(b)所示的高速旋转区域，第2DPF40收集PM总量10％以下的少量，而在图6(a)所示的低中速旋转区域，第2DPF40可收集PM全量的30～40％。也就是，第2DPF40在低中速回转区域，与高速回转区域相比，可收集稍多的PM，但此时的排放气体温度为250℃～400℃，由于PM通过NO₂燃烧，在第2DPF40中不会堆积大量的PM，从而也不会发生因自燃引起的急剧燃烧。

另外，在图示实施例中，构成各排气净化组件的氧化催化剂与DPF是分别设置的，但也可以在DPF中载置催化剂活性成分，将氧化催化剂与DPF做成一个装置来构成排气净化组件。即，在第1排气净化组件中，构成第1DPF的纤维质材料中载置由铂等贵金属构成的催化剂活性成分，而在第2排气净化组件中，构成第2DPF的多孔质材料的表面载置催化剂活性成分。采用这样的构成时，由于可在DPF上生成NO₂、收集PM和燃烧PM，所以没有必要分别设置氧化催化剂，能使装置整体紧凑。

以上，根据图示实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限于此。例如，第1DPF可以是将陶瓷长纤维或陶瓷编织物直接卷绕在多孔管上的结构。并且，可将Nox催化剂配置于第2排气净化组件的下游侧的排气通路中，以使排放气体中的NO等氮氧化物还原成无害的N₂或H₂O。也就是，只要具有构成本发明的各要件、并获得同样的作用效果，则无论怎样的实施例均可。

采用本发明的柴油发动机的废气净化装置，由于在排气通路中设有第1排气净化组件和位于第1排气净化组件下游侧的第2排气净化组件DPF，其中，第1排气净化组件具有氧化催化剂和由纤维质材料构成的第1DPF，第2排气净化组件具有氧化催化剂、和通过多孔质材料形成多个平行小室并由交替堵塞小室的入口和出口的蜂窝状构造构成的第2DPF，从而能够降低壁流动型DPF中PM的收集负担。因此，能够抑制壁流动型DPF中PM的堆积，不会发生自燃引起的急剧燃烧，能够防患于未然地防止过滤器烧坏或破损。

Claims (2)

1、一种柴油发动机的废气净化装置，其特征在于，在柴油发动机的排气通路中设有第1排气净化组件和位于该第1排气净化组件下游侧的第2排气净化组件，其中，第1排气净化组件具有氧化催化剂和由纤维质材料构成的、收集排放气体中微粒的第1柴油微粒过滤器；第2排气净化组件具有氧化催化剂、和通过多孔质材料形成多个平行小室，通过交替堵塞该小室的入口与出口的蜂窝状构造构成的、收集排放气体中微粒的第2柴油微粒过滤器。

2、按照权利要求1所述的柴油发动机的废气净化装置，其特征在于，该第1柴油微粒过滤器收集的微粒的最小粒径设定为2～4μm；该第2柴油微粒过滤器收集的微粒的最小粒径设定为0.5μm。

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