JP2006161629A - 排気浄化装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】パティキュレートフィルタの強制再生に支障をきたすことなく、該強制再生を行い得る運転領域の拡大を図る。
【解決手段】前段に酸化触媒１２を装備した触媒再生型のパティキュレートフィルタ１１を排気管９途中に介装し、ディーゼルエンジン１の各気筒への燃料噴射を制御して未燃燃料分を多く残すことで排気ガス７中に燃料添加を行い、その添加燃料が前段の酸化触媒１２上で酸化反応した時の反応熱により後段のパティキュレートフィルタ１１内の捕集済みパティキュレートを燃焼させて該パティキュレートフィルタ１１を強制再生するようにした排気浄化装置に関し、排気管９の前記酸化触媒１２よりも上流側に、排気ガス７の全量を触媒表面に接触させないように形成したプレ酸化触媒１３を設ける。
【選択図】図１
【解決手段】前段に酸化触媒１２を装備した触媒再生型のパティキュレートフィルタ１１を排気管９途中に介装し、ディーゼルエンジン１の各気筒への燃料噴射を制御して未燃燃料分を多く残すことで排気ガス７中に燃料添加を行い、その添加燃料が前段の酸化触媒１２上で酸化反応した時の反応熱により後段のパティキュレートフィルタ１１内の捕集済みパティキュレートを燃焼させて該パティキュレートフィルタ１１を強制再生するようにした排気浄化装置に関し、排気管９の前記酸化触媒１２よりも上流側に、排気ガス７の全量を触媒表面に接触させないように形成したプレ酸化触媒１３を設ける。
【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る。
そこで、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別途装備し、パティキュレートの堆積量が増加してきた段階で、ディーゼルエンジン側の燃料噴射制御により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、この燃料添加で生じたＨＣガスが前段の酸化触媒を通過する間に酸化反応し、その反応熱で昇温した排気ガスの流入により直後のパティキュレートフィルタの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。
この種の燃料添加を実行するための具体的手段としては、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のが一般的であるが、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い。
尚、斯かるパティキュレートフィルタの強制再生に関連する先行技術文献情報としては本発明と同じ出願人による下記の特許文献１等がある。
特開２００３−１９３８２４号公報
しかしながら、この種の燃料添加によるパティキュレートフィルタの強制再生を行うに際し、車型によっては、ディーゼルエンジンから離れた位置にしかパティキュレートフィルタの搭載スペースを確保できないケースがあり、このようなケースでは、特に雨天や冬期等の外気温度が低い場合に、ディーゼルエンジンからパティキュレートフィルタまで排気ガスを導く間に排気管や排気ブレーキ等の補機からの放熱により排気温度が低下し、パティキュレートフィルタの強制再生を行い得る運転領域が通常より狭まる虞れがあった。
このため、本発明者らは、比較的小型のプレ酸化触媒を排気管の上流側に新たに装備し、ディーゼルエンジンから排出されて間もない高温の排気ガスをプレ酸化触媒に導入することで、排気温度の低い軽負荷時等でも比較的容易にプレ酸化触媒の触媒床温度を上げて活性を高め、該プレ酸化触媒にてＨＣガス及び燃焼残りＯ2ガスの一部を酸化反応させて、その反応熱により排気温度を上昇させることを創案するに到ったが、このプレ酸化触媒での活性の上昇時に酸化反応が進みすぎてしまうと、ディーゼルエンジン側で添加されたＨＣガス及び燃焼残りＯ2ガスの大半がプレ酸化触媒で消費されてしまい、パティキュレートフィルタの前段の酸化触媒にて反応させるべきＨＣガス及び燃焼残りＯ2ガスが不足してパティキュレートフィルタの強制再生に支障をきたすことが懸念された。
本発明は、上述の実情に鑑みてなされたものであり、パティキュレートフィルタの強制再生に支障をきたすことなく、該強制再生を行い得る運転領域の拡大を図ることを目的としている。
本発明は、前段に酸化触媒を装備した触媒再生型のパティキュレートフィルタを排気管途中に介装し、エンジンの各気筒への燃料噴射を制御して未燃燃料分を多く残すことで排気ガス中に燃料添加を行い、その添加燃料が前段の酸化触媒上で酸化反応した時の反応熱により後段のパティキュレートフィルタ内の捕集済みパティキュレートを燃焼させて該パティキュレートフィルタを強制再生するようにした排気浄化装置において、排気管の前記酸化触媒よりも上流側に、排気ガスの全量を触媒表面に接触させないように形成したプレ酸化触媒を設け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、エンジンから排出されて間もない高温の排気ガスがプレ酸化触媒に導入されることにより、排気温度の低い軽負荷時等でも比較的容易にプレ酸化触媒の触媒床温度が上昇して活性が高まるので、斯かる状態でエンジンの各気筒への燃料噴射を制御して燃料添加を実行した際に、この燃料添加で生じたＨＣガスの一部がプレ酸化触媒を通過する間に酸化反応し、その反応熱により排気ガスの昇温化が図られることになる。
この結果、エンジンからパティキュレートフィルタまで排気ガスを導く間に排気温度が低下してしまってＨＣガス及び燃焼残りＯ2ガスを前段の酸化触媒上で良好に酸化反応させることができなかった運転領域にあっても、エンジンから排出されて間もない高温の排気ガスを対象とすることでプレ酸化触媒におけるＨＣガス及び燃焼残りＯ2ガスの酸化反応が可能となり、その反応熱によりパティキュレートフィルタへ向かう排気ガスが昇温されて前段の酸化触媒におけるＨＣガス及び燃焼残りＯ2ガスの酸化反応が実現されることになる。
しかも、排気ガスの少なくとも一部がプレ酸化触媒の触媒表面と接触しないで通過していくので、該プレ酸化触媒での活性の上昇時にＨＣガス及び燃焼残りＯ2ガスの大半がプレ酸化触媒で消費されてしまう虞れがなくなり、パティキュレートフィルタの前段の酸化触媒にて反応させるべき必要量のＨＣガス及び燃焼残りＯ2ガスが確保されることになる。
また、本発明においては、排気ガスの全量を触媒表面に接触させないように形成したプレ酸化触媒として、プレ酸化触媒の軸心方向に貫通形成された多数の排気通路の壁厚を２０μｍ以上１ｍｍ以下とし且つそのセル数を１平方ｃｍ当り１５セル以下としたものを採用したり、プレ酸化触媒の外周部に排気ガスを迂回せしめるバイパス流路を形成したものを採用したり、プレ酸化触媒の外径を排気管の内径よりも十分に小さく形成して前記プレ酸化触媒を排気管内に偏心配置したものを採用したりすることが可能である。
特に、プレ酸化触媒の外周部に排気ガスを迂回せしめるバイパス流路を形成した場合や、プレ酸化触媒の外径を排気管の内径よりも十分に小さく形成して前記プレ酸化触媒を排気管内に偏心配置した場合では、プレ酸化触媒における触媒担持部分の周囲を高温の排気ガスが流れることで排気管の外への放熱を抑制する効果が得られる。
上記した本発明の排気浄化装置によれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。
（Ｉ）本発明の請求項１〜４に記載の発明によれば、排気温度の昇温化を図るべく排気管の上流側にプレ酸化触媒を装備しても、このプレ酸化触媒の触媒表面に対し排気ガスの全量を接触させないようにしたことにより、エンジン側での燃料添加により生じたＨＣガス及び燃焼残りＯ2ガスの大半がプレ酸化触媒で消費されてしまう虞れを未然に回避することができ、パティキュレートフィルタの前段の酸化触媒にて反応させるべき必要量のＨＣガス及び燃焼残りＯ2ガスを確実に確保することができるので、パティキュレートフィルタの強制再生に支障をきたすことなく、該強制再生を行い得る運転領域の拡大を図ることができる。
（ＩＩ）本発明の請求項３、４に記載の発明によれば、プレ酸化触媒における触媒担持部分の周囲を高温の排気ガスが流れることで排気管の外への放熱を抑制する効果が得られ、プレ酸化触媒の触媒担持部分で生じた反応熱により触媒床温度を良好に維持することができるので、軽負荷の運転領域でもＨＣガス及び燃焼残りＯ2ガスの酸化反応を安定して持続させることができる。
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、図１中における１はターボチャージャ２を搭載したディーゼルエンジンを示しており、エアクリーナ３から導いた空気４が吸気管５を介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で加圧された空気４が更にインタクーラ６へと送られて冷却され、該インタクーラ６から図示しないインテークマニホールドへと空気４が導かれてディーゼルエンジン１の各シリンダに導入されるようにしてある。
また、このディーゼルエンジン１の各シリンダから排出された排気ガス７がエキゾーストマニホールド８を介し前記ターボチャージャ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７が排気管９を介し車外へ排出されるようにしてある。
そして、この排気ガス７が流通する排気管９の途中には、フィルタケース１０が介装されており、該フィルタケース１０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１１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１１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１１ａ（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１１ａ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１１ａを区画する多孔質薄壁１１ｂを透過した排気ガス７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１０内におけるパティキュレートフィルタ１１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１２が収容されており、この酸化触媒１２には、軸心方向に貫通形成された多数の排気通路１２ａ（セル）が備えられている。
ここで、酸化触媒１２の軸心方向に貫通形成された多数の排気通路１２ａは、その壁厚を約５０μｍ程度とした場合に、セル数が１平方ｃｍ当り３０セル以上の目の細かいものとなっていて、各排気通路１２ａを通過する排気ガス７の全量が触媒表面に対して接触するようにしてある。
また、ターボチャージャ２のタービン２ｂ直後（エキゾーストマニホールド８の出口近傍）の排気管９には、白金・アルミナをステンレス製のメタル担体に担持させて成るプレ酸化触媒１３が、前記パティキュレートフィルタ１１に対し所要間隔を隔てて離間配置されている。
このプレ酸化触媒１３は、図４に拡大して示す如く、排気管９の管径と略同等の径を有する比較的小容量のフロースルー方式のハニカム構造物として形成されているが、その軸心方向に貫通形成された多数の排気通路１３ａの壁厚は２０μｍ以上１ｍｍ以下で且つそのセル数は１平方ｃｍ当り１５セル以下の目の粗いものとなっていて、各排気通路１３ａを通過する排気ガス７の全量が触媒表面に対して接触しないようにしてある。
ただし、図４ではハニカム構造物として形成した例を示しているが、図５に示す如く、同心状に配置された径の異なる複数の円筒部材１４の相互間に波板部材１５を筒形にして介装した構造物として形成することも可能であり、このようにした場合も、円筒部材１４と波板部材１５とにより区画形成される各排気通路１３ａの壁厚は２０μｍ以上１ｍｍ以下で且つそのセル数は１平方ｃｍ当り１５セル以下の目の粗いものとする。
また、本形態例においては、パティキュレートフィルタ１１の強制再生を行う必要が生じた際に、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１６（図１参照）の燃料噴射制御が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）でポスト噴射が実行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７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ガスが排気ガス７がディーゼルエンジン１から排出されることになる。
而して、このようにすれば、ディーゼルエンジン１から排出されて間もない高温の排気ガス７がプレ酸化触媒１３に導入されることにより、排気温度の低い軽負荷時等でも比較的容易にプレ酸化触媒１３の触媒床温度が上昇して活性が高まるので、斯かる状態で燃料噴射装置１６の燃料噴射制御を通常モードから再生モードに切り替えて、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実行した際に、該ポスト噴射により排気ガス７中に未燃のまま添加された燃料が高濃度のＨＣガスとなって、該ＨＣガス及び燃焼残りＯ2ガスの一部がプレ酸化触媒１３を通過する間に酸化反応し、その反応熱により排気ガス７の昇温化が図られることになる。
この結果、ディーゼルエンジン１からパティキュレートフィルタ１１まで排気ガス７を導く間に排気温度が低下してしまってＨＣガス及び燃焼残りＯ2ガスを前段の酸化触媒１２上で良好に酸化反応させることができなかった運転領域にあっても、ディーゼルエンジン１から排出されて間もない高温の排気ガス７を対象とすることでプレ酸化触媒１３におけるＨＣガス及び燃焼残りＯ2ガスの酸化反応が可能となり、その反応熱によりパティキュレートフィルタ１１へ向かう排気ガス７が昇温されて前段の酸化触媒１２におけるＨＣガス及び燃焼残りＯ2ガスの酸化反応が実現されることになる。
しかも、排気ガス７の少なくとも一部がプレ酸化触媒１３の触媒表面と接触しないで通過していくので、該プレ酸化触媒１３での活性の上昇時にＨＣガス及び燃焼残りＯ2ガスの大半がプレ酸化触媒１３で消費されてしまう虞れがなくなり、パティキュレートフィルタ１１の前段の酸化触媒１２にて反応させるべき必要量のＨＣガス及び燃焼残りＯ2ガスが確保されることになる。
従って、上記形態例によれば、排気温度の昇温化を図るべく排気管９の上流側にプレ酸化触媒１３を装備しても、このプレ酸化触媒１３の触媒表面に対し排気ガス７の全量を接触させないようにしたことにより、ディーゼルエンジン１側での燃料添加により生じたＨＣガス及び燃焼残りＯ2ガスの大半がプレ酸化触媒１３で消費されてしまう虞れを未然に回避することができ、パティキュレートフィルタ１１の前段の酸化触媒１２にて反応させるべき必要量のＨＣガス及び燃焼残りＯ2ガスを確実に確保することができるので、パティキュレートフィルタ１１の強制再生に支障をきたすことなく、該強制再生を行い得る運転領域の拡大を図ることができる。
また、図６は本発明の別の形態例を示すもので、排気ガス７の全量を触媒表面に接触させないように形成したプレ酸化触媒１３として、プレ酸化触媒１３の外周部に排気ガス７を迂回せしめるバイパス流路１７を形成したものである。
このようにした場合も、排気ガス７の一部がバイパス流路１７に迂回して触媒表面に接触しないまま通過していくことになるので、プレ酸化触媒１３での活性の上昇時にＨＣガス及び燃焼残りＯ2ガスの大半がプレ酸化触媒１３で消費されてしまう虞れがなくなり、パティキュレートフィルタ１１の前段の酸化触媒１２にて反応させるべき必要量のＨＣガス及び燃焼残りＯ2ガスを確保することができる。
更に、図７は本発明の更に別の形態例を示すもので、プレ酸化触媒１３の外径を排気管９の内径よりも十分に小さく形成して前記プレ酸化触媒１３を排気管９内に偏心配置したものであり、この偏心配置によりプレ酸化触媒１３の外周面と排気管９の内周面との間に排気ガス７を迂回せしめるバイパス流路１８が形成されるようになっている。
このようにした場合も、排気ガス７の一部がバイパス流路１８に迂回して触媒表面に接触しないまま通過していくことになるので、プレ酸化触媒１３での活性の上昇時にＨＣガス及び燃焼残りＯ2ガスの大半がプレ酸化触媒１３で消費されてしまう虞れがなくなり、パティキュレートフィルタ１１の前段の酸化触媒１２にて反応させるべき必要量のＨＣガス及び燃焼残りＯ2ガスを確保することができる。
また、図６及び図７の何れの形態例の場合においても、プレ酸化触媒１３における触媒担持部分の周囲のバイパス流路１７，１８を高温の排気ガス７が流れることで排気管９の外への放熱が抑制されるので、プレ酸化触媒１３の触媒担持部分で生じた反応熱により触媒床温度を良好に維持することができ、軽負荷の運転領域でもＨＣガス及び燃焼残りＯ2ガスの酸化反応を安定して持続させることができる。
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、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。
１ ディーゼルエンジン（エンジン）
７ 排気ガス
９ 排気管
１１ パティキュレートフィルタ
１２ 酸化触媒
１３ プレ酸化触媒
１３ａ 排気通路
１７ バイパス流路
７ 排気ガス
９ 排気管
１１ パティキュレートフィルタ
１２ 酸化触媒
１３ プレ酸化触媒
１３ａ 排気通路
１７ バイパス流路
Claims (4)
- 前段に酸化触媒を装備した触媒再生型のパティキュレートフィルタを排気管途中に介装し、エンジンの各気筒への燃料噴射を制御して未燃燃料分を多く残すことで排気ガス中に燃料添加を行い、その添加燃料が前段の酸化触媒上で酸化反応した時の反応熱により後段のパティキュレートフィルタ内の捕集済みパティキュレートを燃焼させて該パティキュレートフィルタを強制再生するようにした排気浄化装置において、排気管の前記酸化触媒よりも上流側に、排気ガスの全量を触媒表面に接触させないように形成したプレ酸化触媒を設けたことを特徴とする排気浄化装置。
- プレ酸化触媒の軸心方向に貫通形成された多数の排気通路の壁厚を２０μｍ以上１ｍｍ以下とし且つそのセル数を１平方ｃｍ当り１５セル以下としたことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
- プレ酸化触媒の外周部に排気ガスを迂回せしめるバイパス流路を形成したことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
- プレ酸化触媒の外径を排気管の内径よりも十分に小さく形成して前記プレ酸化触媒を排気管内に偏心配置したことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
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Cited By (6)
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