JP2006348855A

JP2006348855A - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP2006348855A
Application number: JP2005176399A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Hosoya; 満細谷
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2005-06-16
Filing date: 2005-06-16
Publication date: 2006-12-28

Abstract

【課題】ＮＯx吸蔵還元触媒の後段に配置したパティキュレートフィルタの良好な再生を図る。
【解決手段】排気管９途中の触媒ケース１０内にＮＯx吸蔵還元触媒１１を収容し、この触媒１１の半分ずつの領域に排気ガス７を個別に流し得るよう触媒ケース１０内を第一流路１４と第二流路１５とに区画し、その入口部分に排気ガス７の主な流れを流路１４，１５の何れか一方に振り分けて他方の排気ガス７の流量を絞り込む排気分配バルブ１６（排気分配手段）を備えると共に、各流路１４，１５の夫々における触媒１１の入側に燃料１９を個別に添加し得るよう添加ノズル２２，２３（燃料添加手段）を備え、ケース１０の直後に流路１４，１５の夫々を経た排気ガス７を混合するミキサ１２を構成し、該ミキサ１２の直後のフィルタケース２６内にパティキュレートフィルタ２５を収容する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディーゼルエンジン等の内燃機関に用いる排気浄化装置に関するものである。

従来より、排気管の途中に装備した排気浄化用触媒により排気浄化を図ることが行われており、この種の排気浄化用触媒としては、排気空燃比がリーンの時に排気ガス中のＮＯxを酸化して硝酸塩の状態で一時的に吸蔵し、排気ガス中の酸素濃度が低下した時に未燃ＨＣやＣＯ等の介在によりＮＯxを分解放出して還元浄化する性質を備えたＮＯx吸蔵還元触媒が知られている。

そして、ＮＯx吸蔵還元触媒においては、ＮＯxの吸蔵量が増大して飽和量に達してしまうと、それ以上のＮＯxを吸蔵できなくなるため、定期的にＮＯx吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの酸素濃度をＨＣ等の還元剤により低下させてＮＯxを分解放出させる必要がある。

例えば、ガソリンエンジンに使用した場合であれば、機関の運転空燃比を低下（機関をリッチ空燃比で運転）することにより、排気ガス中の酸素濃度を低下し且つ排気ガス中の未燃ＨＣやＣＯ等の還元成分を増加してＮＯxの分解放出を促すことができるが、ＮＯx吸蔵還元触媒をディーゼルエンジンの排気浄化装置として使用した場合には機関をリッチ空燃比で運転することが困難である。

このため、ＮＯx吸蔵還元触媒の上流側で排気ガス中に燃料を添加することにより、この添加燃料を還元剤としてＮＯx吸蔵還元触媒上で酸素と反応させることで排気ガス中の酸素濃度を低下させる必要がある。

他方、ディーゼルエンジンの排気浄化を図る場合、排気ガス中のＮＯxを除去するだけでは十分ではなく、排気ガス中に含まれるパティキュレート（Particulate Matter：粒子状物質）についてもパティキュレートフィルタを通して捕集する必要があるため、ＮＯx吸蔵還元触媒の後段にパティキュレートフィルタを配置して排気ガス中からパティキュレートを除去しなければならない（例えば下記の特許文献１を参照）。
特開２００４−２０４６９９号公報

しかしながら、このようにパティキュレートフィルタをＮＯx吸蔵還元触媒の後段に配置した場合、該ＮＯx吸蔵還元触媒の再生を図るべく頻繁に燃料添加が成されると、パティキュレートフィルタの前段で排気ガス中の酸素が消費し尽くされてしまうことになるので、パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートの焼却処理が酸素不足により停滞してしまい、パティキュレートの捕集量が処理量を上回って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った。

また、前段のＮＯx吸蔵還元触媒についても、排気ガスを流しながら燃料を添加したのでは、燃料の添加量が多く必要となって燃費の悪化が顕著になるという問題があり、例えば、ＮＯx吸蔵還元触媒を並列に装備して交互に排気ガスの流量を絞り込むことで片方ずつＮＯx吸蔵還元触媒の再生を図るようにすることも考えられるが、このようなＮＯx吸蔵還元触媒の並列配置は、車両への搭載性を著しく悪化するという新たな問題を招いてしまう結果となる。

本発明は、上述の実情に鑑みてなされたものであり、ＮＯx吸蔵還元触媒の後段にパティキュレートフィルタを配置しても、該パティキュレートフィルタを良好に再生することが可能で、しかも、車両への搭載性の悪化を招くことなく、必要最小限の燃料の添加により効率良くＮＯx吸蔵還元触媒を再生することが可能な排気浄化装置を提供することを目的としている。

本発明は、排気管途中に介装した触媒ケース内にＮＯx吸蔵還元触媒を収容し、該ＮＯx吸蔵還元触媒の半分ずつの領域に排気ガスを個別に流し得るよう触媒ケース内を第一流路と第二流路とに区画し、触媒ケースの入口部分に排気ガスの主な流れを第一流路及び第二流路の何れか一方に振り分けて他方の排気ガスの流量を絞り込む排気分配手段を備えると共に、第一流路及び第二流路の夫々におけるＮＯx吸蔵還元触媒の入側に燃料を個別に添加し得るよう燃料添加手段を備え、前記触媒ケースの直後に前記第一流路及び第二流路の夫々を経た排気ガスを混合するミキサを構成し、該ミキサの直後にフィルタケースを設け且つ該フィルタケース内にパティキュレートフィルタを収容したことを特徴とする排気浄化装置、に係るものである。

而して、このような排気浄化装置によれば、排気分配手段により排気ガスの主な流れを第一流路及び第二流路の何れか一方に振り分けた際に、その一方の流路に面したＮＯx吸蔵還元触媒の半分の領域に排気ガス中のＮＯxが硝酸塩の状態で吸蔵されてＮＯxの低減が図られる。

また、他方の流路に対し燃料を添加すると、当該流路における排気ガスの流量が絞り込まれていることから比較的少ない添加量でも排気ガスの空気過剰率が効果的に低下し、しかも、この流路に導入された排気ガスの流速が極度に遅くなっていることから十分な反応時間も確保されるので、ＮＯx吸蔵還元触媒の半分の領域にてＮＯxが分解放出されて効率良く再生が図られ、その放出したＮＯxがＮＯx吸蔵還元触媒上で前記燃料成分であるＨＣと反応して還元浄化されることになる。

このようにＮＯx吸蔵還元触媒の半分ずつを交互に再生することができれば、ＮＯx吸蔵還元触媒の片側でＮＯxの吸蔵を行わせている間に残りの片側を再生することができるので、常にＮＯx吸蔵還元触媒の半分を使用可能な状態として連続的にＮＯxの低減を図ることが可能となる。

そして、第一流路及び第二流路の何れか一方の流路に振り分けられた酸素を多く含む排気ガスの主流と、他方の流路にてＮＯx吸蔵還元触媒の再生反応を経て反応熱により昇温した少量の排気ガスの分配流とがミキサで混合され、温度が比較的高く且つ酸素を比較的多く含む排気ガスとして後段のパティキュレートフィルタに導入されるので、ここに捕集されたパティキュレートが良好に焼却処理されることになる。

また、本発明において、パティキュレートフィルタが酸化触媒を担持している場合には、前段のＮＯx吸蔵還元触媒の再生に使用されて余剰したＨＣが、パティキュレートフィルタにて酸素共存下で酸化処理されることになるため、最終的に排気ガス中に残留して車外へ排出されてしまうＨＣも著しく低減されることになり、換言すれば、リークＨＣの心配なく必要量の燃料添加を実行することが可能となる。

また、本発明のミキサを構成するにあたっては、例えば、触媒ケースの第一流路及び第二流路を経た排気ガスを絞り込むスロート部と、該スロート部内に適宜な枚数で介装したパンチングメタルとにより構成することが可能である。

上記した本発明の排気浄化装置によれば、ＮＯx吸蔵還元触媒の後段にパティキュレートフィルタを配置しても、第一流路及び第二流路の何れか一方の流路に振り分けられた酸素を多く含む排気ガスの主流と、他方の流路にてＮＯx吸蔵還元触媒の再生反応を経て反応熱により昇温した少量の排気ガスの分配流とをミキサで混合し、後段のパティキュレートフィルタに対し温度が比較的高く且つ酸素を比較的多く含む排気ガスを導入することができるので、ＮＯx吸蔵還元触媒の後段に配置したパティキュレートフィルタの良好な再生を図ることができ、しかも、ＮＯx吸蔵還元触媒を並列に装備しなくても、単一の触媒ケース内にＮＯx吸蔵還元触媒を収めて半分ずつ再生を行いながら連続的にＮＯxの低減を図ることができるので、車両への搭載性の悪化を招くことなく、必要最小限の燃料の添加により効率良くＮＯx吸蔵還元触媒を再生することができる等種々の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２は本発明の形態例を示すもので、図中における１はディーゼル機関であるエンジンを示し、このエンジン１にはターボチャージャ２が備えられており、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、このエンジン１の各シリンダには、燃料（軽油）がエンジン１の各シリンダ内に噴射されて燃焼されるようにしてあり、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、排気ガス７が流通する排気管９の途中に触媒ケース１０が介装されており、この触媒ケース１０内には、排気空燃比がリーンの時に排気ガス７中のＮＯxを酸化して硝酸塩の状態で一時的に吸蔵し、排気ガス７中の酸素濃度が低下した時に未燃ＨＣやＣＯ等の介在によりＮＯxを分解放出して還元浄化する性質を備えたＮＯx吸蔵還元触媒１１が収容されている。

更に、前記触媒ケース１０の内部空間は、前記ＮＯx吸蔵還元触媒１１の半分ずつの領域に排気ガス７を個別に流し得るよう仕切板１３により第一流路１４と第二流路１５とに区画されており、また、触媒ケース１０の入口部分には、排気ガス７の主な流れを第一流路１４及び第二流路１５の何れか一方に振り分けて他方の排気ガス７の流量を絞り込む排気分配バルブ１６（排気分配手段）が回動自在に設けられ、この排気分配バルブ１６は、触媒ケース１０の外部に配置したアクチュエータ１７によりレバー及びリンク機構を介し駆動されるようになっている。

更に、第一流路１４及び第二流路１５の夫々におけるＮＯx吸蔵還元触媒１１より上流側には、軽油タンク１８内の燃料１９を軽油ポンプ２０及び軽油調量弁２１を介し導かれて噴射する添加ノズル２２，２３（燃料添加手段）が夫々設けられており、第一流路１４及び第二流路１５の夫々に対し個別に燃料１９を添加し得るようにしてある。

尚、前述したアクチュエータ１７、軽油ポンプ２０、軽油調量弁２１は、エンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を成す制御装置２４からの指令信号を受けて適宜なタイミングで作動されるようになっている。

更に、前記触媒ケース１０の直後には、前記第一流路１４及び第二流路１５の夫々を経た排気ガス７を混合するミキサ１２が設けられており、図２に拡大して示す如く、ここに例示されているミキサ１２の場合は、前記触媒ケース１０の第一流路１４及び第二流路１５を経た排気ガス７を絞り込むスロート部１２ａと、該スロート部１２ａ内に適宜な枚数で介装したパンチングメタル１２ｂとにより構成されるようになっている。

そして、このミキサ１２の直後には、酸化触媒を担持して成る触媒担持型のパティキュレートフィルタ２５を収容したフィルタケース２６が配設されており、前記パティキュレートフィルタ２５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を有し、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７のみが下流側へ排出されて、前記多孔質薄壁の内側表面にパティキュレートが捕集されるようにしてある。

而して、このような排気浄化装置によれば、例えば、図１に図示しているように、排気分配バルブ１６により排気ガス７の主な流れを第二流路１５に振り分けた際に、該第二流路１５に面したＮＯx吸蔵還元触媒１１の半分の領域に排気ガス７中のＮＯxが硝酸塩の状態で吸蔵されてＮＯxの低減が図られることになる。

この際、排気分配バルブ１６により排気ガス７の流量を絞り込まれた第一流路１４に対し、軽油調量弁２１により添加ノズル２２に選択的に燃料１９を導いて噴射させると、当該第一流路１４における排気ガス７の流量が絞り込まれていることから比較的少ない添加量でも排気ガス７の空気過剰率が効果的に低下し、しかも、この第一流路１４に導入された排気ガス７の流速が極度に遅くなっていることから十分な反応時間も確保されるので、ＮＯx吸蔵還元触媒１１の半分の領域にてＮＯxが分解放出されて効率良く再生が図られ、その放出したＮＯxがＮＯx吸蔵還元触媒１１上で前記燃料成分であるＨＣと反応して還元浄化されることになる。

事実、図３に検証実験の結果をグラフにして示している通り、ＮＯx吸蔵還元触媒１１の全体に排気ガス７を流しながら上流側に燃料１９を添加して再生を図る従来形式のものと、本形態例のものとを同じ燃料添加量について比較したところ、本形態例のようにＮＯx吸蔵還元触媒１１を半分ずつ排気ガス７の流量を絞り込んで交互に再生させるようにした方が従来形式のものよりも高いＮＯx低減率が得られることが確認された。

そして、このようにＮＯx吸蔵還元触媒１１の半分ずつを交互に再生することができれば、ＮＯx吸蔵還元触媒１１の片側でＮＯxの吸蔵を行わせている間に残りの片側を再生することができるので、常にＮＯx吸蔵還元触媒１１の半分を使用可能な状態として連続的にＮＯxの低減を図ることが可能となる。

更に、本形態例においては、第一流路１４及び第二流路１５の何れか一方の流路に振り分けられた酸素を多く含む排気ガス７の主流と、他方の流路にてＮＯx吸蔵還元触媒１１の再生反応を経て反応熱により昇温した少量の排気ガス７の分配流とが、ミキサ１２のスロート部１２ａで絞り込まれ且つ各パンチングメタル１２ｂを通過する間に乱流化されて良好に混合される結果、温度が比較的高く且つ酸素を比較的多く含む排気ガス７として後段のパティキュレートフィルタ２５に導入されるので、ここに捕集されたパティキュレートが良好に焼却処理されることになる。

尚、前段のＮＯx吸蔵還元触媒１１の再生に使用されて余剰したＨＣは、パティキュレートフィルタ２５にて酸素共存下で酸化処理されることになるため、最終的に排気ガス７中に残留して車外へ排出されてしまうＨＣも著しく低減されることになり、換言すれば、リークＨＣの心配なく必要量の燃料添加を実行することが可能となる。

事実、図４に検証実験の結果をグラフにして示している通り、ＮＯx吸蔵還元触媒１１の全体に排気ガス７を流しながら上流側に燃料１９を添加して再生を図る従来形式の場合よりも、本形態例のようにＮＯx吸蔵還元触媒１１を半分ずつ排気ガス７の流量を絞り込んで比較的少ない添加量でＮＯx吸蔵還元触媒１１の再生を図り且つミキサ１２を介し第一流路１４及び第二流路１５の夫々を経た排気ガス７を混合して後段の触媒担持型のパティキュレートフィルタ２５にてＨＣを酸化処理するようにした場合の方が高いＨＣ低減率が得られることが確認されている。

従って、上記形態例によれば、ＮＯx吸蔵還元触媒１１の後段にパティキュレートフィルタ２５を配置しても、第一流路１４及び第二流路１５の何れか一方の流路に振り分けられた酸素を多く含む排気ガス７の主流と、他方の流路にてＮＯx吸蔵還元触媒１１の再生反応を経て反応熱により昇温した少量の排気ガス７の分配流とをミキサ１２で混合し、後段のパティキュレートフィルタ２５に対し温度が比較的高く且つ酸素を比較的多く含む排気ガス７を導入することができるので、ＮＯx吸蔵還元触媒１１の後段に配置したパティキュレートフィルタ２５の良好な再生を図ることができ、しかも、ＮＯx吸蔵還元触媒１１を並列に装備しなくても、単一の触媒ケース１０内にＮＯx吸蔵還元触媒１１を収めて半分ずつ再生を行いながら連続的にＮＯxの低減を図ることができるので、車両への搭載性の悪化を招くことなく、必要最小限の燃料１９の添加により効率良くＮＯx吸蔵還元触媒１１を再生することができる。

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、必要に応じてパティキュレートフィルタの前段に酸化触媒が追加装備されていても良いこと、また、第一流路及び第二流路の夫々を経た排気ガスを管路を介してミキサに導いても良いこと、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のミキサの詳細を示す拡大斜視図である。ＮＯx低減率について従来形式と本形態例とを比較したグラフである。ＨＣ低減率について従来形式と本形態例とを比較したグラフである。

符号の説明

７排気ガス
９排気管
１０触媒ケース
１１ＮＯx吸蔵還元触媒
１２ミキサ
１２ａスロート部
１２ｂパンチングメタル
１４第一流路
１５第二流路
１６排気分配バルブ（排気分配手段）
１９燃料
２２添加ノズル（燃料添加手段）
２３添加ノズル（燃料添加手段）
２５パティキュレートフィルタ
２６フィルタケース

Claims

排気管途中に介装した触媒ケース内にＮＯx吸蔵還元触媒を収容し、該ＮＯx吸蔵還元触媒の半分ずつの領域に排気ガスを個別に流し得るよう触媒ケース内を第一流路と第二流路とに区画し、触媒ケースの入口部分に排気ガスの主な流れを第一流路及び第二流路の何れか一方に振り分けて他方の排気ガスの流量を絞り込む排気分配手段を備えると共に、第一流路及び第二流路の夫々におけるＮＯx吸蔵還元触媒の入側に燃料を個別に添加し得るよう燃料添加手段を備え、前記触媒ケースの直後に前記第一流路及び第二流路の夫々を経た排気ガスを混合するミキサを構成し、該ミキサの直後にフィルタケースを設け且つ該フィルタケース内にパティキュレートフィルタを収容したことを特徴とする排気浄化装置。
触媒ケースの第一流路及び第二流路を経た排気ガスを絞り込むスロート部と、該スロート部内に適宜な枚数で介装したパンチングメタルとによりミキサを構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。
パティキュレートフィルタが酸化触媒を担持している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。