JP2005144378A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料添加によるパティキュレートフィルタの強制再生に支障を与えることなく該パティキュレートフィルタの製作コストを低減する。
【解決手段】排気管４の途中に触媒再生型のパティキュレートフィルタ６を装備した排気浄化装置に関し、安価なＣａ、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｂａ等のアルカリ土類金属の硫酸化合物、硝酸化合物、炭酸化合物の何れかを酸化触媒としてパティキュレートフィルタ６に担持させる。
【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公報 特開２００３−１５５９１３公報

しかしながら、従来においては、パティキュレートフィルタに担持される触媒原料が白金等の貴金属を主体とするものであったため、パティキュレートフィルタの製作コストが高騰してしまうという問題があった。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、燃料添加によるパティキュレートフィルタの強制再生に支障を与えることなく該パティキュレートフィルタの製作コストを低減することを目的としている。

本発明は、排気管の途中に触媒再生型のパティキュレートフィルタを装備した排気浄化装置であって、パティキュレートフィルタに担持される酸化触媒が、アルカリ土類金属の硫酸化合物、硝酸化合物、炭酸化合物の何れかであることを特徴とするものである。

また、本発明においては、アルカリ土類金属としてＣａ、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｂａの何れかを採用すると良く、更には、パティキュレートフィルタ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ると良い。

而して、このようにすれば、白金等の貴金属を主体とした触媒原料から成る酸化触媒をパティキュレートフィルタに担持させていた従来形式と比較して、パティキュレートフィルタに担持せしめる触媒原料に要するコストが安価なものとなり、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、安価なＣａ、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｂａ等のアルカリ土類金属の硫酸化合物、硝酸化合物、炭酸化合物の何れかを酸化触媒としてパティキュレートフィルタに担持させても、従来通り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、燃料添加手段により排気ガス中に添加された燃料は、そのままパティキュレートフィルタに与えられ、該パティキュレートフィルタの酸化触媒上に堆積したパティキュレートと共に約２５０℃程度の比較的低い触媒床温度で着火し、その燃焼により生じた熱で触媒活性が更に向上されて添加燃料及びパティキュレートの燃焼が相乗的に促進される結果、捕集済みパティキュレートが燃やし尽くされて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。

上記した本発明の排気浄化装置によれば、安価なＣａ、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｂａ等のアルカリ土類金属の硫酸化合物、硝酸化合物、炭酸化合物の何れかを酸化触媒としてパティキュレートフィルタに担持させても、従来通りパティキュレートフィルタを支障なく再生することができ、しかも、白金等の貴金属を主体とした触媒原料から成る酸化触媒をパティキュレートフィルタに担持させていた従来形式と比較して、パティキュレートフィルタに担持せしめる触媒原料に要するコストを安価なものとすることができるので、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３は本発明を実施する形態の一例を示すもので、本形態例の排気浄化装置においては、図１に示す如く、自動車のディーゼルエンジン１（内燃機関）から排気マニホールド２を介して排出された排気ガス３が流通している排気管４のマフラ５内に、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６を収容させた場合を例示しており、該パティキュレートフィルタ６を抱持するフィルタケース７がマフラ５の外筒を成すようになっている。

即ち、前後に入口パイプ８と出口パイプ９とを備えたフィルタケース７の内部に、図２に拡大して示す如きパティキュレートフィルタ６が収容されており、このパティキュレートフィルタ６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６ａ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６ａ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６ａを区画する多孔質薄壁６ｂを透過した排気ガス３のみが下流側へ排出されるようにしてある。

ただし、このパティキュレートフィルタ６に担持されている酸化触媒は、従来の如き白金等の貴金属を主体とした触媒原料から成るものではなく、安価なＣａ（カルシウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｂａ（バリウム）等のアルカリ土類金属の硫酸化合物、硝酸化合物、炭酸化合物の何れかを酸化触媒としてパティキュレートフィルタ６に担持させるようにしている。

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１０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１１（負荷センサ）からのアクセル開度信号１１ａ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１２からの回転数信号１２ａ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１１ａ及び回転数信号１２ａに基づき、ディーゼルエンジン１の各気筒に燃料を噴射する燃料噴射装置１３に向け燃料噴射信号１３ａ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１３は、各気筒毎に装備される複数のインジェクタにより構成されており、これら各インジェクタの電磁弁が前記燃料噴射信号１３ａ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１０では、アクセル開度信号１１ａ及び回転数信号１２ａに基づき通常モードの燃料噴射信号１３ａ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６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１３ａ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３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、この未燃の燃料がパティキュレートフィルタ６の表面に与えられるようになっている。

ここで、前述した制御装置１０における通常モードから再生モードへの切り替えは、適切なインターバルをとって定期的に行うようにすれば良いが、パティキュレートフィルタ６の捕集状態を前後の差圧から判断したり、過去の運転状態から捕集量を推定したりしてモード切り替えを行うように構成されていても良い。

尚、以上に述べた説明では、パティキュレートフィルタ６より上流側で排気ガス３中に燃料を添加する燃料添加手段として、燃料噴射装置１３の噴射パターンをモード切り替えする手段を例示しているが、この種の燃料添加手段としては、例えば、排気マニホールド２から排気管４にかけての排気流路中における何れかの場所に燃料添加用のインジェクタを別途配設し、このインジェクタにより燃料を排気ガス３中に添加するようにすることも可能である。

而して、制御装置１０による燃料噴射装置１３の制御が通常モードから再生モードに切り替えられると、メイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い着火しないタイミングでポスト噴射が行われる結果、排気ガス３中に未燃の燃料が添加されて該燃料がパティキュレートフィルタ６に与えられ、図３にグラフで示す通り、パティキュレートフィルタ６の酸化触媒上に堆積したパティキュレートと共に約２５０℃程度の比較的低い触媒床温度で着火し、その燃焼により生じた熱で触媒活性が更に向上されて添加燃料及びパティキュレートの燃焼が相乗的に促進される結果、捕集済みパティキュレートが燃やし尽くされてパティキュレートフィルタ６の再生化が図られる。

即ち、安価なＣａ、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｂａ等のアルカリ土類金属の硫酸化合物、硝酸化合物、炭酸化合物の何れかを酸化触媒としてパティキュレートフィルタ６に担持させても、従来通りパティキュレートフィルタ６を支障なく再生することが可能となるので、白金等の貴金属を主体とした触媒原料から成る酸化触媒をパティキュレートフィルタ６に担持させていた従来形式と比較して、パティキュレートフィルタ６に担持せしめる触媒原料に要するコストが安価なものとなり、パティキュレートフィルタ６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、安価なＣａ、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｂａ等のアルカリ土類金属の硫酸化合物、硝酸化合物、炭酸化合物の何れかを酸化触媒としてパティキュレートフィルタに担持させても、従来通り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、一例として硫酸カルシウム（ＣａＳＯ₄）を酸化触媒として用いた場合の実験結果を図４に示すと、硫酸カルシウムと煤（パティキュレート）と軽油（燃料）とを混ぜた供試混合物に対し図４のグラフ中の曲線Ａのように温度を上げていった際に、その供試混合物の重量低減率は曲線Ｂのように推移し、実験開始から約８０分すぎの約２８０℃程度の温度ですっかり燃え尽きてしまうことが確認された。

この時、熱量の出入り（吸熱又は発熱）を検出器の電圧（マイクロボルト）で表した曲線Ｃを見ると、実験開始から約７０分すぎあたりの約２３０℃程度の温度で煤の燃焼による発熱ピークＰが確認できるので、このあたりの温度でも既に効果的な煤燃焼が起こっているという知見が得られた。尚、この発熱ピークＰ以降の大きな発熱量は軽油によるものと考えられる。

これに対し、図５に示す如く、硫酸カルシウムなしの煤（パティキュレート）と軽油（燃料）の供試混合物の場合、実験開始から約８０分経過する手前で急激に重量が低減するものの、そこからほぼ横這いに推移して約１４０分過ぎにようやく尽きることになるが、実験開始から約８０分経過する手前までは実質的に軽油の燃焼による重量軽減が支配的であり、これ以降の重量低減率が横這いの状態が実質的な煤の燃焼によるものであると考えられ、やはり硫酸カルシウムの触媒作用を受けないと煤の燃焼が良好に進まないことが確認された。

事実、図５のグラフにおける煤の燃焼による発熱ピークＰは、実験開始から約１４０分すぎあたりの約６００℃付近に確認されており、煤の燃焼が良好に進んでいないことが裏づけされている。

従って、上記形態例によれば、安価なＣａ、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｂａ等のアルカリ土類金属の硫酸化合物、硝酸化合物、炭酸化合物の何れかを酸化触媒としてパティキュレートフィルタ６に担持させても、従来通りパティキュレートフィルタ６を支障なく再生することができ、しかも、白金等の貴金属を主体とした触媒原料から成る酸化触媒をパティキュレートフィルタ６に担持させていた従来形式と比較して、パティキュレートフィルタ６に担持せしめる触媒原料に要するコストを安価なものとすることができ、パティキュレートフィルタ６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、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｂａ以外のアルカリ土類金属を採用しても良いこと、また、パティキュレートフィルタはコージェライト製とする以外に炭化珪素製としても良く、ステンレス製のスチールウール等から成る金属不織布又はワイヤメッシュにより構成したものでも良いこと、更に、パティキュレートフィルタの前段には、必要に応じてフロースルー型の酸化触媒を別途設け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。 図１のパティキュレートフィルタの詳細を示す断面図である。 触媒床温度に対する燃焼速度の推移を示すグラフである。 硫酸カルシウムを採用した場合の実験結果を示すグラフである。 硫酸カルシウムなしの状態で得た比較データを示すグラフである。

符号の説明

１ ディーゼルエンジン
３ 排気ガス
４ 排気管
６ パティキュレートフィルタ
１０ 制御装置
１３ 燃料噴射装置（燃料添加手段）

Claims (3)

1. 排気管の途中に触媒再生型のパティキュレートフィルタを装備した排気浄化装置であって、パティキュレートフィルタに担持される酸化触媒が、アルカリ土類金属の硫酸化合物、硝酸化合物、炭酸化合物の何れかであることを特徴とする排気浄化装置。
2. アルカリ土類金属としてＣａ、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｂａの何れかを採用したことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
3. パティキュレートフィルタ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又は２に記載の排気浄化装置。

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