JP2005139993A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】不要な酸化触媒を極力減らして触媒再生型のパティキュレートフィルタにおける製作コストを低減する。
【解決手段】ディーゼルエンジン１（内燃機関）からの排気ガス９が流通する排気管１１の途中にフィルタケース１２を介装し、該フィルタケース１２内の前段にフロースルー型の酸化触媒１４を収容し且つその後段に触媒再生型のパティキュレートフィルタ１３を収容した排気浄化装置に関し、前記パティキュレートフィルタ１３の前端から後方へ向けた所要範囲にのみ酸化触媒を部分的に担持せしめ、この酸化触媒の担持領域Ａより後方の残りの範囲に酸化触媒を担持しない未担持領域Ｂを確保する。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気浄化装置に関するものである。

ディーゼルエンジンから排出されるパティキュレート（Particulate Matter：粒子状物質）は、炭素質から成る煤と、高沸点炭化水素成分から成るＳＯＦ分（Soluble Organic Fraction：可溶性有機成分）とを主成分とし、更に微量のサルフェート（ミスト状硫酸成分）を含んだ組成を成すものであるが、この種のパティキュレートの低減対策としては、排気ガスが流通する排気管の途中に、パティキュレートフィルタを装備することが従来より行われている。

この種のパティキュレートフィルタは、コージェライト等のセラミックから成る多孔質のハニカム構造となっており、格子状に区画された各流路の入口が交互に目封じされ、入口が目封じされていない流路については、その出口が目封じされるようになっており、各流路を区画する多孔質薄壁を透過した排気ガスのみが下流側へ排出されるようにしてある。

そして、排気ガス中のパティキュレートは、前記多孔質薄壁の内側表面に捕集されて堆積するので、目詰まりにより排気抵抗が増加しないうちにパティキュレートを適宜に燃焼除去してパティキュレートフィルタの再生を図る必要があるが、通常のディーゼルエンジンの運転状態においては、パティキュレートが自己燃焼するほどの高い排気温度が得られる機会が少ない為、例えばアルミナに白金を担持させたものに適宜な量のセリウム等の希土類元素を添加して成る酸化触媒を一体的に担持させた触媒再生型のパティキュレートフィルタの実用化が進められている。

即ち、このような触媒再生型のパティキュレートフィルタを採用すれば、捕集されたパティキュレートの酸化反応が促進されて着火温度が低下し、従来より低い排気温度でもパティキュレートを燃焼除去することが可能となるのである。

ただし、斯かる触媒再生型のパティキュレートフィルタを採用した場合であっても、排気温度の低い運転領域では、パティキュレートの処理量よりも捕集量が上まわってしまうので、このような低い排気温度での運転状態が続くと、パティキュレートフィルタの再生が良好に進まずに該パティキュレートフィルタが過捕集状態に陥る虞れがあり、パティキュレートの堆積量が増加してきた段階でパティキュレートフィルタより上流側の排気ガス中に燃料を添加してパティキュレートフィルタの強制再生を行うことが考えられている。

つまり、パティキュレートフィルタより上流側で燃料を添加すれば、その添加された燃料がパティキュレートフィルタの酸化触媒上で酸化反応し、その反応熱により触媒床温度が上げられてパティキュレートが燃やし尽くされ、パティキュレートフィルタの再生化が図られることになる。

尚、この種のパティキュレートフィルタの積極的な再生を図る方法に関しては、下記の特許文献１や特許文献２にも取り上げられており、これらの文献中の説明では、エンジンの燃料噴射装置に対し圧縮上死点付近で行われる燃料のメイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い非着火のタイミングでポスト噴射を行うことで燃料添加を実行するようにしている。
特開２００３−８３１３９号公報 特開２００３−１５５９１３号公報

また、特に捕集済みパティキュレートの酸化反応を支援する目的でパティキュレートフィルタの前段にフロースルー型の酸化触媒を備えた排気浄化装置では、パティキュレートフィルタの前段の酸化触媒にてＨＣガスが酸化反応して反応熱を生じ、その反応熱で昇温した排気ガスがパティキュレートフィルタへと導入されることになるので、より低い排気温度からパティキュレートフィルタの強制再生を実現することが可能となる。

しかしながら、斯かる従来の排気浄化装置においては、前段の酸化触媒で昇温された排気ガスがパティキュレートフィルタに導入されて、該パティキュレートフィルタ内で捕集済みパティキュレートが燃焼し始めると、その燃焼により生じた熱が排気ガスの流れ方向に連続的に影響を及ぼして触媒活性を尻上がりに高め、この触媒活性の高まりに応じパティキュレートの燃焼も促進されていくので、パティキュレートフィルタ後ろ側では、該パティキュレートフィルタの再生に必要な温度より十分に高い温度が比較的容易く得られ、ここに酸化触媒が特に担持されていなくても支障がないことが本発明者らの知見として得られた。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、不要な酸化触媒を極力減らして触媒再生型のパティキュレートフィルタにおける製作コストを低減することを目的としている。

本発明は、内燃機関からの排気ガスが流通する排気管の途中にフィルタケースを介装し、該フィルタケース内の前段にフロースルー型の酸化触媒を収容し且つその後段に触媒再生型のパティキュレートフィルタを収容した排気浄化装置において、前記パティキュレートフィルタの前端から後方へ向けた所要範囲にのみ酸化触媒を部分的に担持せしめ、この酸化触媒の担持領域より後方の残りの範囲に酸化触媒を担持しない未担持領域を確保したことを特徴とするものである。

而して、このようにすれば、パティキュレートフィルタの後方に残る未担持領域で捕集済みパティキュレートが触媒作用を受けられなくなるが、パティキュレートフィルタの前方の担持領域におけるパティキュレートの良好な燃焼により、パティキュレートフィルタの未担持領域でも該パティキュレートフィルタの再生に必要な温度が十分に得られるので、パティキュレートフィルタの全体に一様に酸化触媒を担持させなくても済み、白金等の高価な貴金属が含まれる触媒原料を減らすことが可能となる結果、触媒再生型のパティキュレートフィルタの製作コストが従来より大幅に低減されることになる。

尚、触媒再生型のパティキュレートフィルタの前段に酸化触媒を装備した排気浄化装置に関し、パティキュレートフィルタの全体に一様に酸化触媒を担持させなくてもパティキュレートフィルタを支障なく再生し得ることに関しては、本発明者らによる鋭意研究を経て既に確認済みの事項となっている。

即ち、触媒再生型のパティキュレートフィルタの前段に酸化触媒が装備されているので、前段の酸化触媒での酸化反応により生じた反応熱でパティキュレートフィルタの全体が十分に昇温され、しかも、パティキュレートフィルタの前端側における担持領域で酸化触媒の酸化支援を受けて燃えたパティキュレートの熱が未担持領域に対し十分な加熱作用をもたらすことにより、パティキュレートフィルタの未担持領域についてもパティキュレートが燃やし尽くされることになる。

また、本発明においては、酸化触媒より上流側で排気ガス中に燃料を添加する燃料添加手段を備えたものに適用することが好ましく、更には、その燃料添加手段として内燃機関の各気筒に燃料を噴射する燃料噴射装置を採用し、気筒内への燃料噴射を制御して排気ガス中に未燃燃料分を多く残すことで燃料添加を実行するように構成しても良い。

上記した本発明の排気浄化装置によれば、パティキュレートフィルタの全体に一様に酸化触媒を担持させなくても済むので、白金等の高価な貴金属が含まれる触媒原料を減らすことができ、触媒再生型のパティキュレートフィルタの製作コストを従来より大幅に低減することができるという優れた効果を奏し得る。

以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１〜図４は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図１中における１はターボチャージャ２を装備したディーゼルエンジンを示しており、エアクリーナ３から導かれた吸気４が吸気管５を通し前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａへと送られ、該コンプレッサ２ａで加圧された吸気４がインタークーラ６へと送られて冷却され、該インタークーラ６から更に吸気マニホールド７へと吸気４が導かれてディーゼルエンジン１の各気筒８（図１では直列６気筒の場合を例示している）に分配されるようになっている。

更に、このディーゼルエンジン１の各気筒８から排出された排気ガス９は、排気マニホールド１０を介しターボチャージャ２のタービン２ｂへと送られ、該タービン２ｂを駆動した排気ガス９が排気管１１を介し車外へ排出されるようにしてある。

そして、この排気管１１の途中には、フィルタケース１２が介装されており、該フィルタケース１２内における後段には、酸化触媒を一体的に担持して成る触媒再生型のパティキュレートフィルタ１３が収容されており、その構造を図２により模式的に示す如く、このパティキュレートフィルタ１３は、セラミックから成る多孔質のハニカム構造となっており、格子状に区画された各流路１３ａ（セル）の入口が交互に目封じされ、入口が目封じされていない流路１３ａについては、その出口が目封じされるようになっており、各流路１３ａを区画する多孔質薄壁１３ｂを透過した排気ガス９のみが下流側へ排出されるようにしてある。

また、フィルタケース１２内におけるパティキュレートフィルタ１３の直前位置には、図３に拡大して示す如きハニカム構造を有するフロースルー型の酸化触媒１４が収容されており、この酸化触媒１４には、前後方向に開通する多数の流路１４ａ（セル）がセル壁１４ｂにより画定されている。

そして、後段のパティキュレートフィルタ１３に担持せしめる酸化触媒は、パティキュレートフィルタ１３の前端から後方へ向けた所要範囲にのみ部分的に担持されており、この酸化触媒の担持領域Ａより後方の残りの範囲に酸化触媒を担持しない未担持領域Ｂが確保されている。

また、ここに図示している例においては、エンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を成す制御装置１５に、アクセル開度をディーゼルエンジン１の負荷として検出するアクセルセンサ１６（負荷センサ）からのアクセル開度信号１６ａと、ディーゼルエンジン１の機関回転数を検出する回転センサ１７からの回転数信号１７ａとが入力されるようになっており、これらのアクセル開度信号１６ａ及び回転数信号１７ａに基づき、ディーゼルエンジン１の各気筒８に燃料を噴射する燃料噴射装置１８に向け燃料噴射信号１８ａが出力されるようになっている。

ここで、前記燃料噴射装置１８は、各気筒８毎に装備される複数のインジェクタ１９により構成されており、これら各インジェクタ１９の電磁弁が前記燃料噴射信号１８ａにより適宜に開弁制御されて燃料の噴射タイミング及び噴射量が適切に制御されるようになっている。

他方、前記制御装置１５では、アクセル開度信号１６ａ及び回転数信号１７ａに基づき通常モードの燃料噴射信号１８ａが決定されるようになっている一方、パティキュレートフィルタ１３の再生制御を行う必要が生じた際に、通常モードから再生モードに切り替わり、圧縮上死点（クランク角０゜）付近で行われる燃料のメイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い非着火のタイミング（開始時期がクランク角９０゜〜１２０゜の範囲）でポスト噴射を行うような燃料噴射信号１８ａが決定されるようになっている。

つまり、このようにメイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い非着火のタイミングでポスト噴射が行われると、このポスト噴射により排気ガス９中に未燃の燃料（主としてＨＣ：炭化水素）が添加されることになり、この未燃の燃料により生じたＨＣガスがパティキュレートフィルタ１３表面の酸化触媒上で酸化反応し、その反応熱により触媒床温度が上昇してパティキュレートフィルタ１３内のパティキュレートが燃焼除去されることになる。

尚、図１中におけるフィルタケース１２は、パティキュレートフィルタ１３及びその前段の酸化触媒１４の車両への搭載性を向上する目的でマフラ外筒を兼ねたものとなっており、その前後位置にサイレンサ２０，２１を付帯装備したものとなっている。

而して、パティキュレートフィルタ１３の再生制御を行う必要が生じた際に、制御装置１５にて再生モードが選択されて、制御装置１５により燃料の噴射パターンが通常モードから再生モードに切り替えられ、メイン噴射に続き圧縮上死点より遅い非着火のタイミングでポスト噴射を行う噴射パターンが採用される結果、該ポスト噴射により排気ガス９中に未燃のまま添加された燃料が熱分解により高濃度のＨＣガスとなって酸化触媒１４で酸化反応することにより反応熱を生じ、この反応熱により酸化触媒１４を通過する排気ガス９が大幅に昇温され、この酸化触媒１４を経て昇温した排気ガス９がパティキュレートフィルタ１３に導入されることにより該パティキュレートフィルタ１３の全域が高温化され、これによりパティキュレートが良好に燃焼除去されてパティキュレートフィルタ１３の再生が図られることになる。

この際、パティキュレートフィルタ１３の後方に残る未担持領域Ｂには酸化触媒が担持されていないが、パティキュレートフィルタ１３の前方の担持領域Ａで前段の酸化触媒１４の酸化支援を受けて燃えたパティキュレートの熱が未担持領域Ｂに対し十分な過熱作用をもたらすことにより、パティキュレートフィルタ１３の未担持領域Ｂでも該パティキュレートフィルタ１３の再生に必要な温度が十分に得られる。

ここで、補足して説明しておくと、もし仮にパティキュレートフィルタ１３の前段に酸化触媒１４が配置されていなかった場合には、燃料添加により生成された高濃度のＨＣガスがパティキュレートフィルタ１３の触媒表面で酸化反応することになるが、このような形式での実質的な酸化反応は本来パティキュレートフィルタ１３の後方部分に偏りがちになるものであり、本形態例のようにパティキュレートフィルタ１３の後方に未担持領域Ｂを残してしまうと、ＨＣガスを効率良く酸化処理して反応熱を得ることが難しくなってしまう。

これに対し、パティキュレートフィルタ１３の前段に酸化触媒１４を配置しておけば、該酸化触媒１４中における酸化反応が後方部分に偏ってしまっても、そこを通過した排気ガス９の温度さえ高くできれば、該排気ガス９の導入によりパティキュレートフィルタ１３を前方部分から後方部分にかけての全域に亘り高温化することが可能となるのである。

そして、このようにパティキュレートフィルタ１３の全域が高温化されると、パティキュレートフィルタ１３の前端側における担持領域Ａで酸化触媒の酸化支援を受けてパティキュレートが燃え始め、その燃焼したパティキュレートの熱が未担持領域Ｂに対し十分な加熱作用をもたらすことにより、パティキュレートフィルタ１３の未担持領域Ｂについてもパティキュレートが燃やし尽くされることになる。

尚、触媒再生型のパティキュレートフィルタ１３の前段に酸化触媒１４を装備した排気浄化装置に関し、パティキュレートフィルタ１３の全体に一様に酸化触媒を担持させなくてもパティキュレートフィルタ１３を支障なく再生し得ることに関しては、本発明者らによる鋭意研究を経て既に確認済みの事項となっている。

従って、上記形態例によれば、パティキュレートフィルタ１３の全体に一様に酸化触媒を担持させなくても済むので、白金等の高価な貴金属が含まれる触媒原料を減らすことができ、触媒再生型のパティキュレートフィルタ１３の製作コストを従来より大幅に低減することができる。

尚、本発明の排気浄化装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、先の形態例においては、燃料添加手段として燃料噴射装置を採用し、圧縮上死点付近で行われる燃料のメイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い非着火のタイミングでポスト噴射を行うことで排気ガス中に燃料を添加するようにしているが、気筒内へのメイン噴射の時期を通常より遅らせることで排気ガス中に燃料を添加するようにしても良く、更には、このように気筒内への燃料噴射を制御して排気ガス中に未燃燃料分を多く残すことにより燃料添加を行う手段だけでなく、排気管の適宜位置（排気マニホールドでも可）に燃料添加手段としてインジェクタを貫通装着し、このインジェクタにより排気ガス中に燃料を直噴して添加するようにしても良いこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。 パティキュレートフィルタの構造を模式的に示す断面図である。 前段の酸化触媒の構造を一部を切り欠いて示す斜視図である。 パティキュレートフィルタの酸化触媒の担持領域を示す斜視図である。

符号の説明

１ ディーゼルエンジン（内燃機関）
８ 気筒
９ 排気ガス
１１ 排気管
１２ フィルタケース
１３ パティキュレートフィルタ
１４ 酸化触媒
１８ 燃料噴射装置（燃料添加手段）
Ａ 担持領域
Ｂ 未担持領域

Claims (3)

1. 内燃機関からの排気ガスが流通する排気管の途中にフィルタケースを介装し、該フィルタケース内の前段にフロースルー型の酸化触媒を収容し且つその後段に触媒再生型のパティキュレートフィルタを収容した排気浄化装置において、前記パティキュレートフィルタの前端から後方へ向けた所要範囲にのみ酸化触媒を部分的に担持せしめ、この酸化触媒の担持領域より後方の残りの範囲に酸化触媒を担持しない未担持領域を確保したことを特徴とする排気浄化装置。
2. 酸化触媒より上流側で排気ガス中に燃料を添加する燃料添加手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
3. 内燃機関の各気筒に燃料を噴射する燃料噴射装置を燃料添加手段として採用し、気筒内への燃料噴射を制御して排気ガス中に未燃燃料分を多く残すことで燃料添加を実行するように構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の排気浄化装置。

Images