JP2007023997A

JP2007023997A - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP2007023997A
Application number: JP2005211111A
Authority: JP
Inventors: Tatsuoki Igarashi; 龍起五十嵐
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2005-07-21
Filing date: 2005-07-21
Publication date: 2007-02-01
Also published as: WO2007010985A1

Abstract

【課題】ＮＯｘ低減やパティキュレート燃焼を良好に効率良く行なうことができると共に、耐久性に優れた排気浄化装置を提供する。
【解決手段】ディーゼルエンジンからの排気管１の中途部に、排気流れ方向上流側から下流側へ向けて、尿素ＳＣＲ触媒システム２と、電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステム３ａ，３ｂを配置すると共に、尿素ＳＣＲ触媒システム２は排気流れ方向上流側に酸化触媒４を備え且つ下流側に選択還元型触媒５を備え、電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステム３ａ，３ｂは、排気流れ方向上流側から下流側に向けて遮熱材６ａ，６ｂ、電気ヒータ７ａ，７ｂ、多孔質ハニカム構造でウォールスルーのパティキュレートフィルタ８ａ，８ｂ、酸化触媒９ａ，９ｂを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は排気浄化装置に関する。

近年車両においては、ディーゼルエンジンからの排気中のＮＯｘ低減技術として、尿素ＳＣＲ触媒システムが、又、パティキュレート（Particulate Matter：粒子状物質）低減技術として、触媒再生型パティキュレートフィルタシステムが、夫々、実用化されている。

尿素ＳＣＲ触媒システムは、エンジンからの排気が流通する排気管の中途部に酸素共存下でも選択的にＮＯｘを還元剤と反応させる性質を備えたＮＯｘ還元触媒（選択還元型触媒）を装備したもので、該ＮＯｘ還元型触媒の上流側に必要量の還元剤を添加して該還元剤をＮＯｘ還元触媒上で排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）と還元反応させ、これによりＮＯｘの排出濃度を低減させるものであり、還元剤としては、毒性のない尿素を使用して、ＮＯｘを高効率で低減させることが実用化されている。

又、触媒再生型パティキュレートフィルタシステムは、エンジンからの排気が流通する排気管の中途部に、触媒を一体的に担持させた多孔質ハニカム構造のパティキュレートフィルタを装備したもので、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、各流路を区画する多孔質薄壁を透過した排気のみが下流側へ排出されるようにしたものである。

而して、近年においては、ＮＯｘ及びパティキュレートの両方を低減させることが要求されており、このため、尿素ＳＣＲ触媒システム及び触媒再生型パティキュレートフィルタシステムを連結して車両に搭載することが検討されており、両者の配置の仕方としては、尿素ＳＣＲ触媒システムを排気流れ方向上流側に配置し、触媒再生型パティキュレートフィルタシステムを排気流れ方向下流側に配置するか、或は、触媒再生型パティキュレートフィルタシステムを排気流れ方向上流側に配置し、尿素ＳＣＲ触媒システムを排気流れ方向下流側に配置することが考えられる。なお、触媒再生型パティキュレートフィルタシステムを排気流れ方向上流側に配置し、尿素ＳＣＲ触媒システムを排気流れ方向下流側に配置した先行技術文献としては特許文献１がある。
特開２００４−２１８４７５号公報（図３）

しかしながら、これら二つのシステムの性能や機能は、共に触媒活性に依存することから、エンジン排気の温度の影響が大きく、従って、排気流れ方向下流側に配置されたシステムでは、排気温度が低下する等して、その性能や耐久性を大きく損なうことが問題となる。

例えば、尿素ＳＣＲ触媒システムを排気流れ方向上流側に配置し、触媒再生型パティキュレートフィルタシステムを排気流れ方向下流側に配置した場合、パティキュレートの再生時に、排気を昇温させるためエンジンのメイン噴射に続いて圧縮上死点よりも遅い非着火のタイミングでポスト噴射が行なわれて排気中に未燃の燃料が添加された場合には、選択還元型触媒或はその前段に配置される酸化触媒においてＨＣが燃焼するため、選択還元型触媒は高温に曝されて熱劣化を生じ、又熱劣化を考慮すると、触媒再生型パティキュレートフィルタシステムにおけるパティキュレートフィルタの昇温が不十分となる。このため、パティキュレートフィルタの強制昇温に時間を要し、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燃焼が十分に行なわれず、再生率の低下や燃費の悪化を招来する虞がある。

又、触媒再生型パティキュレートフィルタシステムを排気流れ方向上流側に配置し、尿素ＳＣＲ触媒システムを排気流れ方向下流側に配置した場合には、触媒再生型パティキュレートフィルタシステムにおけるパティキュレートフィルタでの強制再生時にパティキュレートが燃焼することにより生じる熱により、排気流れ方向下流側の選択還元型触媒が劣化する虞があり、且つ、通常時においては選択還元型触媒の温度が低下し、ＮＯｘの低減性能が低下する虞がある。

本発明は上述の実情に鑑み、ＮＯｘ低減やパティキュレート燃焼を良好に効率良く行なうことができると共に、耐久性に優れた排気浄化装置を提供することを目的としてなしたものである。

本発明の請求項１の排気浄化装置は、内燃機関からの排気管の中途部に、排気流れ方向上流側から下流側へ向けて、尿素ＳＣＲ触媒システムと、電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステムとを設けたものである。

本発明の請求項２の排気浄化装置においては、電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステムは、複数組並列配置されているものである。

本発明の請求項３の排気浄化装置においては、電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステムは、排気流れ方向上流側から下流側に向けて遮熱材、電気ヒータ、多孔質ハニカム構造のパティキュレートフィルタ、酸化触媒を設けている。

本発明の請求項４の排気浄化装置においては、電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステムの各排気流れ方向上流側には、排気の流れを遮断し得るシャッタを設けたものである。

本発明の請求項５の排気浄化装置においては、電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステムは、排気流れ方向上流側から下流側へ向けて遮熱材、給電によりそれ自体が発熱するヒータ一体型のパティキュレートフィルタ、多孔質ハニカム構造のパティキュレートフィルタを設けたものである。

本発明の請求項６の排気浄化装置においては、尿素ＳＣＲ触媒システムは、排気流れ方向上流側に酸化触媒を備え且つ下流側に選択還元型触媒を備えたものである。

本発明の排気浄化装置によれば、尿素ＳＣＲ触媒システムと電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステムを設けているため、ＮＯｘ低減やパティキュレート燃焼を良好に効率良く行なうことができると共に、耐久性に優れた排気浄化装置を提供することができ、又、尿素ＳＣＲ触媒システムは電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステムの排気流れ方向上流側に設けているため、電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステムのパティキュレートフィルタを再生する際の熱により尿素ＳＣＲ触媒システムの酸化触媒や選択還元型触媒の劣化を生じることがなく、更に、電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステムは尿素ＳＣＲ触媒システムの排気流れ方向下流側に配置されているが、パティキュレートフィルタは電気ヒータにより強制的に加熱して再生を行なうようにしているため、パティキュレートの燃焼は何等問題なく行なうことができ、更に、請求項５の排気浄化装置においては、排気を遮断するためのシャッタが不要であるため、システム構成が簡素化される、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添付図面を参照して説明する。
図１、図２は本発明の排気浄化装置の一例で、ディーゼルエンジンのエキゾーストマニホールドに接続された排気管１の中途部には、排気流れ方向上流側に尿素ＳＣＲ触媒システム２が配置され、尿素ＳＣＲ触媒システム２の排気流れ方向下流側において分岐した２系統の排気管１ａ，１ｂの中途部には、夫々、電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステム３ａ，３ｂが並列配置されている。排気管１ａ，１ｂは排気流れ方向下流側で排気管１に接続されている。

尿素ＳＣＲ触媒システム２は、排気流れ方向上流側に配置された酸化触媒４と、下流側に配置された選択還元型触媒５とを備えている。而して、酸化触媒４は、例えば、ハニカム構造を有するフロースルー型で、白金に酸化アルミニウム（アルミナ）を混合してステンレス製のメタル担体等に担持させた構造となっている。又、排気Ｇｅｘがこの酸化触媒４を通過する際には、該排気Ｇｅｘ中のＮＯｘの大半を占めるＮＯは反応性の高いＮＯ_２に変化するようになっている。

選択還元型触媒５は、ハニカム構造を有するフロースルー型で、白金、パラジウム等の貴金属や、バナジウム、銅、鉄の酸化物等の卑金属触媒といった従来周知の触媒を採用することが可能であるが、一般的に酸化力の強い貴金属触媒を採用するよりも、比較的被毒され難い卑金属触媒を採用する方がより好ましい。

電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステム３ａ，３ｂは夫々、排気流れ方向上流側から下流側へ向けて、順次、遮熱材６ａ，６ｂ、電気ヒータ７ａ，７ｂ、パティキュレートフィルタ８ａ，８ｂ、酸化触媒９ａ，９ｂを備えている。

而して、遮熱材６ａ，６ｂは、ハニカム構造を有するフロースルー型で、触媒担体として適しているコージライト等の多孔質セラミック材が使用される。コージライトハニカムは熱伝導率が低く、圧力損失も低いため良好な遮熱材となる。

又、電気ヒータ７ａ，７ｂの上流側に遮熱材６ａ，６ｂを配置したのは、電気ヒータ７ａ，７ｂで発生した熱が排気Ｇｅｘにより奪われないようにして、パティキュレートフィルタ８ａ，８ｂの排気流れ方向上流側の温度を高温に維持させ、パティキュレートフィルタ８ａ，８ｂの排気流れ方向上流側においても、パティキュレートの燃焼を良好に行なわせ、パティキュレートフィルタ８ａ，８ｂの再生効率を高めるためである。

電気ヒータ７ａ，７ｂは例えばシーズヒータで、パティキュレートフィルタ８ａ，８ｂに導入された排気Ｇｅｘの温度が低い運転領域でもパティキュレートの燃焼を良好に行なうためのものであり、電気ヒータ７ａ，７ｂにより積極的に加熱を行なうことにより、排気Ｇｅｘの温度が低い領域でもパティキュレートを良好に燃焼除去し得るようになっている。

パティキュレートフィルタ８ａ，８ｂは、炭化珪素（ＳｉＣ）等のセラミックで製作された多孔質薄壁のハニカム構造で、例えば、アルミナに白金を担持させたものに適宜の量のセリウム等の希土類元素を添加してなる酸化触媒を一体的に担持させたものである。而して、パティキュレートフィルタ８ａ，８ｂは図２に示すように、格子状に区画された各流路の入口側が目封じされ、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、各流路を区画する多孔質薄壁を透過した排気Ｇｅｘのみが下流側へ排出されるようになっている。なお、パティキュレートフィルタ８ａ，８ｂは酸化触媒を一体的に担持させたものでなくても良い。

酸化触媒９ａ，９ｂは、ハニカム構造を有するフロースルー型で、コージライト等の多孔質セラミックで製作された担体に白金及びアルミナ等を適量担持させたものであり、遮熱材６ａ，６ｂと協働してパティキュレートフィルタ８ａ，８ｂに対し保温効果を得られるようになっていると共に、パティキュレートフィルタ８ａ，８ｂからの排気Ｇｅｘ中の有害なＣＯやＨＣを酸化して無害のＣＯ_２やＨ_２Ｏにし得るようになっている。

排気管１の酸化触媒４と選択還元型触媒５との間の部分には、選択還元型触媒５に向けて尿素水Ｗｎを添加し得るように配置した尿素水添加ノズル１０が設けられている。尿素水添加ノズル１０には、中途部に尿素水ポンプ１１を備えた尿素水送給管１２が接続され、尿素水タンク１３に貯留された尿素水Ｗｎは、尿素水ポンプ１１により尿素水送給管１２から尿素水添加ノズル１０へ送給され、尿素水添加ノズル１０から選択還元型触媒５へ向けて添加し得るようになっている。

排気管１ａ，１ｂ内における電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステム３ａ，３ｂの排気流れ方向上流側には、エアシリンダ１４ａ，１４ｂにより開閉し得るようにしたシャッタ１５ａ，１５ｂが配置されており、エアタンク１６に貯留された空気は、中途部に電磁弁１７ａ，１７ｂを備えた空気管路１８ａ，１８ｂを介してエアシリンダ１４ａ，１４ｂに送給されるようになっている。

電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステム３ａ，３ｂにおける遮熱材６ａ，６ｂの排気流れ方向上流側には、シャッタ１５ａ，１５ｂよりも排気流れ方向下流側において排気管１ａ，１ｂ内に位置するよう、燃焼用空気供給ノズル１９ａ，１９ｂが設けられている。燃焼用空気供給ノズル１９ａ，１９ｂには、中途部に電磁弁２０ａ，２０ｂを備えた空気送給管２１ａ，２１ｂが接続され、空気送給管２１ａ，２１ｂが合流した空気送給管２１に接続された空気ポンプ２２からの燃焼用空気Ａｂは、空気送給管２１、空気送給管２１ａ，２１ｂを経て燃焼用空気供給ノズル１９ａ，１９ｂへ送給され、燃焼用空気供給ノズル１９ａ，１９ｂから遮熱材６ａ，６ｂ、電気ヒータ７ａ，７ｂを介して、パティキュレートフィルタ８ａ，８ｂへ導入されるようになっている。

図１中、２３は尿素ＳＣＲ触媒システム２の酸化触媒４と選択還元型触媒５との間において、排気管１内の排気Ｇｅｘの温度を検出するための温度検出器、２４ａ，２４ｂは、電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステム３ａ，３ｂの酸化触媒９ａ，９ｂ設置位置よりも排気流れ方向下流側に設置されて酸化触媒９ａ，９ｂを通過した排気Ｇｅｘの温度を検出するようにした温度検出器であり、検出した排気温度Ｔ１，Ｔ２ａ，Ｔ２ｂは、エンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ）２５へ与え得るようになっている。

又、２６は、排気管１内の排気管１ａ，１ｂに分岐する直前位置において、尿素ＳＣＲ触媒システム２の選択還元型触媒５から送出された排気Ｇｅｘの圧力を検出するようにした圧力検出器、２７は、排気管１の排気管１ａ，１ｂが合流した位置よりも排気流れ方向下流側に設置されて排気Ｇｅｘの圧力を検出するようにした圧力検出器であり、圧力検出器２６，２７で検出した排気圧力Ｐ１，Ｐ２はエンジン制御コンピュータ２５へ与え得るようになっている。

更に、２８はバッテリであり、バッテリ２８からはヒータリレー２９ａ，２９ｂを介して電気ヒータ７ａ，７ｂへ給電し得るようになっている。又、エンジン制御コンピュータ２５からは尿素水ポンプ１１へ起動指令Ｖ１を与え得るようになっていると共に、電磁弁１７ａ，１７ｂへ弁開閉指令Ｖ２ａ，Ｖ２ｂを与え得るようになっており、且つ、空気ポンプ２２のリレー３０へ切替え指令Ｖ３を与え得るようになっている。又、エンジン制御コンピュータ２５からは電磁弁２０ａ，２０ｂへ弁開閉指令Ｖ４ａ，Ｖ４ｂを与え得るようになっており、ヒータリレー２９ａ，２９ｂへは切替え指令Ｖ５ａ，Ｖ５ｂを与え得るようになっている。なお、Ｖ６はエンジン制御コンピュータ２５へ与えられるバッテリ電圧である。

バッテリ電圧Ｖ６をエンジン制御コンピュータ２５へ入力するようにしたのは、以下のような理由による。すなわち、電気ヒータ７ａ，７ｂでは多大な電力が消費される。このため、例えば、バッテリ２８の劣化或は充放電収支に問題があって、バッテリ電圧が低下しているような場合、電気ヒータ７ａ，７ｂがオンになると、バッテリ２８は極端な電圧低下が生じ、エンジン制御コンピュータ２５等、他の電装品に影響を及ぼす虞があり、これを回避するためである。

以下、上記図示例の作動について説明する
例えば、図１に示すようにシャッタ１５ａを開き、シャッタ１５ｂを閉止させてディーゼルエンジンの運転を行なうと、ディーゼルエンジンから排出された排気Ｇｅｘは、排気管１から尿素ＳＣＲ触媒システム２の酸化触媒４、選択還元型触媒５を経て排気管１ａに導入され、電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステム３ａの遮熱材６ａ、電気ヒータ７ａ、パティキュレートフィルタ８ａ、酸化触媒９ａを経て下流の排気管１へ排出される。

この際、排気Ｇｅｘが尿素ＳＣＲ触媒システム２の酸化触媒４を通過する場合には、排気ＧｅｘがＮＯｘの大半を占めるＮＯが反応性の高いＮＯ_２となる。又、例えば、温度検出器２３で検出した排気温度Ｔ１が選択還元型触媒５の活性温度領域にある場合には、エンジン制御コンピュータ２５からの起動指令Ｖ１により尿素水ポンプ１１が駆動され、エンジン回転数やアクセル開度（負荷）といった現在の運転状態から推定したＮＯｘの発生量に見合う添加量の尿素水Ｗｎが尿素水タンク１３から尿素水送給管１２を経て尿素水ポンプ１１により尿素水添加ノズル１０へ送給され、尿素水添加ノズル１０から選択還元型触媒５へ向けて還元剤として噴射される。

このため、選択還元型触媒５においては、尿素水Ｗｎはアンモニアと炭酸ガスに分解されると共に、排気Ｇｅｘ中のＮＯ及びＮＯ_２はアンモニアと反応して無害のＮ_２及びＨ_２Ｏに還元処理される。

従って、尿素ＳＣＲ触媒システム２を設けることにより、酸化触媒４を通過させることで排気Ｇｅｘ中のＮＯxの大半を占めるＮＯを反応性の高いＮＯ₂とすることができるので、還元剤に尿素水Ｗｎを用いて、比較的低い温度領域から高いＮＯｘ低減率を得ることができ、尿素ＳＣＲ触媒システム２の実用性を大幅に向上させることができる。

電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステム３ａのパティキュレートフィルタ８ａにおいては、排気Ｇｅｘは格子状に区画されて入口側が目封じされていない流路に導入されて多孔質薄壁を透過し、出口側が目封じされていない流路か下流側へ排出されるが、排気Ｇｅｘ中のパティキュレートはパティキュレートフィルタ８ａにおける前記多孔質薄壁により捕集される（図２参照）。このため、電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステム３ａから排出される排気Ｇｅｘは清浄化された状態となる。

上述のように、シャッタ１５ａを開けてシャッタ１５ｂを閉止し、電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステム３ａ側に排気Ｇｅｘを流しながら運転を行なう場合に、温度検出器２４ａにより検出した排気温度Ｔ２ａが約２５０℃以上の運転条件下では、パティキュレートフィルタ８ａに捕集されたパティキュレートは酸化反応が促進されて良好に燃焼除去される。

しかし、市街地の渋滞路を走行する場合のように、温度検出器２４ａにより検出した排気温度Ｔ２ａが約２５０℃を大きく下回るような軽負荷での運転状態が長く継続すると、パティキュレートフィルタ８ａに捕集されているパティキュレートの良好な燃焼除去が望めなくなるので、圧力検出器２６，２７で検出した排気圧力Ｐ１，Ｐ２の差圧が上昇し、エンジン制御コンピュータ２５においては、パティキュレートフィルタ８ａにおけるパティキュレートの堆積量が所定量以上になったものと判断される。

このため、エンジン制御コンピュータ２５からは、弁開閉指令Ｖ２ａが電磁弁１７ａに与えられて電磁弁１７ａが開き、エアタンク１６からの空気はエアシリンダ１４ａに送給されてシャッタ１５ａが閉止し、又、弁開閉指令Ｖ２ｂは電磁弁１７ｂに与えられて電磁弁１７ｂが閉止し、エアタンク１６からの空気がエアシリンダ１４ａに送給されずに、シャッタ１５ｂが開き、これにより、排気Ｇｅｘは電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステム３ｂ側へ流通し、電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステム３ａ側へは排気Ｇｅｘが流通しないようになる。

更に、エンジン制御コンピュータ２５からは、ヒータリレー２９ａへ切替え指令Ｖ５ａが与えられて、ヒータリレー２９ａがオンになるため、バッテリ２８からは電気ヒータ７ａに通電されて、電気ヒータ７ａが発熱され、電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステム３ａ側には排気Ｇｅｘが流通しない状態でパティキュレートフィルタ８ａが積極的に加熱される。

次いで、電気ヒータ７ａによりパティキュレートフィルタ８ａを積極的に加熱することで温度検出器２４ａにより検出される排気温度Ｔ２ａが所定温度に到達したら、エンジン制御コンピュータ２５からリレー３０に切替え指令Ｖ３を与えて空気ポンプ２２を駆動させると共に、電磁弁２０ａに弁開閉指令Ｖ４ａを与えて電磁弁２０ａを開く。このため、空気ポンプ２２からの燃焼用空気Ａｂは、空気送給管２１ａから燃焼用空気供給ノズル１９ａへ送給され、該燃焼用空気供給ノズル１９ａから電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステム３ａ内に導かれる。

このように、排気Ｇｅｘを電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステム３ｂ側へ流通させつつ、電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステム３ａ側において、電気ヒータ７ａへ通電させて加熱を継続し、且つ燃焼用空気Ａｂをパティキュレートフィルタ８ａへ導入すると、電気ヒータ７ａの発熱量が効率良くパティキュレートフィルタ８ａに与えられて該パティキュレートフィルタ８ａが効果的に加熱され、パティキュレートフィルタ８ａに捕集されたパティキュレートの酸化反応が促進されることになり、しかも該パティキュレートフィルタ８ａ周囲の酸化雰囲気が高められて捕集済みのパティキュレートが容易に燃焼し、パティキュレートフィルタ８ａが使用可能に再生される。

この際、電気ヒータ７ａ及びパティキュレートフィルタ８ａは、遮熱材６ａ及び酸化触媒９ａにより挟み込まれて断熱された状態にあるので、捕集済みのパティキュレートの酸化反応が始まることでパティキュレートフィルタ８ａが急速に温度上昇し、これによりパティキュレートがより一層、燃焼され易くなる結果、従来より短時間でパティキュレートの燃焼を完了することが可能となり、消費電力が従来よりも少なくてすむ。

又、このような電気ヒータ７ａの加熱を受けてパティキュレートが比較的低温で燃焼されることにより生じた高濃度のＣＯやＨＣ等の有害ガスは、酸化触媒９ａを通過する際に無害なＣＯ_２やＨ_２Ｏに酸化処理されて排出される。

一方の電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステム３ａにおけるパティキュレートフィルタ８ａの再生が完了した後、所定時間に亘る運転期間を経て他方の電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステム３ｂにおけるパティキュレートフィルタ８ｂのパティキュレート堆積量が所定量以上となっているものとエンジン制御コンピュータ２５において判断されたら、前述したと同様にして、他方の電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステム３ｂにおけるパティキュレートフィルタ８ｂの再生が行なわれる。

すなわち、エンジン制御コンピュータ２５からは、弁開閉指令Ｖ２ａが電磁弁１７ａに与えられて電磁弁１７ａが閉止し、エアタンク１６からの空気はエアシリンダ１４ａに送給されないためシャッタ１５ａが開き、又、弁開閉指令Ｖ２ｂは電磁弁１７ｂに与えられて電磁弁１７ｂが開き、エアタンク１６からの空気がエアシリンダ１４ａに送給されて、シャッタ１５ｂが閉止し、これにより、排気Ｇｅｘは電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステム３ａ側へ流通し、電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステム３ｂ側へは排気Ｇｅｘが流通しないようになる。

又、エンジン制御コンピュータ２５からの切替え指令Ｖ５ａによりヒータリレー２９ａがオフになり、切替え指令Ｖ５ｂによりヒータリレー２９ｂがオンになる。このため、バッテリ２８から電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステム３ｂにおける電気ヒータ７ｂへ通電され、電気ヒータ７ｂが発熱されてパティキュレートフィルタ８ｂは積極的に加熱される。

次いで、電気ヒータ７ｂによりパティキュレートフィルタ８ｂを積極的に加熱することで温度検出器２４ｂにより検出される排気温度Ｔ２ｂが所定温度に到達したら、エンジン制御コンピュータ２５からリレー３０に切替え指令Ｖ３を与えて空気ポンプ２２を駆動させると共に、電磁弁２０ｂに弁開閉指令Ｖ４ｂを与えて電磁弁２０ｂを開く。このため、空気ポンプ２２からの燃焼用空気Ａｂは、空気送給管２１ｂから燃焼用空気供給ノズル１９ｂへ送給され、該燃焼用空気供給ノズル１９ｂから電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステム３ｂ内に導かれる。

このように、排気Ｇｅｘを電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステム３ａ側へ流通させつつ、電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステム３ｂ側において、電気ヒータ７ｂへ通電させて加熱を継続し、且つ燃焼用空気Ａｂをパティキュレートフィルタ８ｂへ導入すると、電気ヒータ７ｂの発熱量が効率良くパティキュレートフィルタ８ｂに与えられて該パティキュレートフィルタ８ｂが効果的に加熱され、パティキュレートフィルタ８ｂに捕集されたパティキュレートの酸化反応が促進されることになり、しかも該パティキュレートフィルタ８ｂ周囲の酸化雰囲気が高められて捕集済みのパティキュレートが容易に燃焼し、パティキュレートフィルタ８ａの場合と同様にしてパティキュレートフィルタ８ｂが使用可能に再生される。

この際、電気ヒータ７ｂ及びパティキュレートフィルタ８ｂは、遮熱材６ｂ及び酸化触媒９ｂにより挟み込まれて断熱された状態にあるので、捕集済みのパティキュレートの酸化反応が始まることでパティキュレートフィルタ８ｂが急速に温度上昇し、これによりパティキュレートがより一層、燃焼され易くなる結果、従来より短時間でパティキュレートの燃焼を完了することが可能となり、消費電力が従来よりも少なくてすむ。

又、このような電気ヒータ７ｂの加熱を受けてパティキュレートが比較的低温で燃焼されることにより生じた高濃度のＣＯやＨＣ等の有害ガスは、前述したと同様に、酸化触媒９ｂを通過する際に無害なＣＯ_２やＨ_２Ｏに酸化処理されて排出される。

従って、電気ヒータ７ａ，７ｂを有する電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステム３ａ，３ｂを設けることにより、軽負荷運転時等における排気温度の低い運転状態であっても、パティキュレートフィルタ８ａ，８ｂに捕集されたパティキュレートを電気ヒータ７ａ，７ｂの加熱により効果的に燃焼除去することができ、しかも、電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステム３ａ，３ｂ入口側の遮熱材６ａ，６ｂ及び出口側の酸化触媒９ａ，９ｂによる保温効果によりパティキュレートフィルタ８ａ，８ｂを急速に温度上昇させてパティキュレートを焼却し易い環境とすることができるので、従来より短い通電時間でパティキュレートの燃焼除去を完了することができ、これにより消費電力の大幅な低減化を図ることができる。

又、パティキュレートを電気ヒータ７ａ，７ｂの加熱により比較的低温で焼却することにより生じた高濃度のＣＯやＨＣ等の有害ガスを、出口側の酸化触媒９ａ，９ｂを通過させることで無害なＣＯ₂やＨ₂Ｏに酸化処理して排出することができ、最終的に大気中へ排出される排気Ｇｅｘ中に有害ガスが残存してしまう虞れを未然に回避することができる。

更に、電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステム３ａ，３ｂを並列に対で設けて排気Ｇｅｘを交互に流し得るように構成しているので、排気Ｇｅｘを電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステム３ａ，３ｂの何れか一方に流通させることにより、他方の電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステム３ａ，３ｂのパティキュレートフィルタ８ａ，８ｂを排気Ｇｅｘの流れに晒されない状態として電気ヒータ７ａ，７ｂにより効率の良い加熱を行うことができる。

しかも、一方の電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステム３ａ，３ｂのパティキュレートフィルタ８ａ，８ｂを再生させている間に、他方の電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステム３ｂ，３ａのパティキュレートフィルタ８ｂ，８ａでパティキュレートの捕集を継続することができるので、常に何れかの電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステム３ａ，３ｂのパティキュレートフィルタ８ａ，８ｂを使用可能な状態として連続的にパティキュレートの低減化を図ることができる。

更に又、排気Ｇｅｘが流通しているパティキュレートフィルタ８ａ又は８ｂに対し空気ポンプ２２からの燃焼用空気Ａｂを空気送給管２１ａ又は２１ｂを介し導き得るようにしてあるので、パティキュレートフィルタ８ａ，８ｂ周囲の酸化雰囲気を高めて捕集済みパティキュレートを更に燃え易くすることができ、より一層短い通電時間でパティキュレートの燃焼除去を完了することができて消費電力の更に大幅な低減化を図ることができる。

又更に、パティキュレートフィルタ８ａ，８ｂに酸化触媒を一体的に担持せしめた構成を採用することにより、パティキュレートフィルタ８ａ，８ｂに捕集されたパティキュレートの酸化反応を酸化触媒により促進することができるので、排気温度が低い運転領域にて、より一層確実なパティキュレートの燃焼除去を実現することができる。

本図示例の排気浄化装置によれば、尿素ＳＣＲ触媒システム２と電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステム３ａ，３ｂを設けているため、ＮＯｘ低減やパティキュレート燃焼を良好に効率良く行なうことができると共に、耐久性に優れた排気浄化装置を提供することができ、又、尿素ＳＣＲ触媒システム２は電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステム３ａ，３ｂの排気流れ方向上流側に設けているため、電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステム３ａ，３ｂのパティキュレートフィルタ８ａ，８ｂを再生する際の熱により、尿素ＳＣＲ触媒システム２の酸化触媒４や選択還元型触媒５の劣化を生じることがなく、更に、電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステム３ａ，３ｂは尿素ＳＣＲ触媒システム２の排気流れ方向下流側に配置されているが、パティキュレートフィルタ８ａ，８ｂは電気ヒータ７ａ，７ｂにより強制的に加熱して再生を行なうようにしているため、パティキュレートの燃焼は何等問題なく行なうことができる。

図３〜図７は本発明の排気浄化装置の他の例で、前記図示例とは以下の点で異なっている。すなわち、本図示例における電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステム３は、図１に示す電気ヒータ７ａ，７ｂ、酸化触媒９ａ，９ｂを備えず、遮熱材６ａ，６ｂと、炭化珪素（Ｓｉｃ）等のセラミックで製作された多孔質薄壁のハニカム構造のパティキュレートフィルタ８ａ，８ｂとの間に、電気ヒータ再生式でヒータ一体型のパティキュレートフィルタ３１ａ，３１ｂを設けるようにした点であり、遮熱材６ａ、ヒータ一体型のパティキュレートフィルタ３１ａ、パティキュレートフィルタ８ａの系統と、遮熱材６ｂ、ヒータ一体型のパティキュレートフィルタ３１ｂ、パティキュレートフィルタ８ｂの系統とを並列配置するようにした点である。

而して、両系統の間は仕切板３２により仕切られている。又、前記図示例と異なる他の点は、電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステム３における遮熱材６ａ，６ｂの排気流れ方向上流側に、図１に示すシャッタ１５ａ，１５ｂを設けないようにした点である。

ヒータ一体型のパティキュレートフィルタ３１ａ，３１ｂは、特開平１１−２５７０４８号公報に示されているものが使用され、図４〜図７に示されている。すなわち、ヒータ一体型のパティキュレートフィルタ３１ａ，３１ｂは、耐熱ステンレス鋼や耐熱合金鋼製の帯状で厚さ３０〜５０μｍ程度の金属板又は金属箔３３が渦巻き状に多重に積層されて形成されると共に、積層された金属板又は金属箔３３の対向面間には、例えばスラグウール、グラスウール、シリカウール、アルミナ等の無機繊維質製の多孔性電気絶縁膜３４が介在されている。

又、パティキュレートフィルタ３１ａ，３１ｂを形成する金属板又は金属箔３３には、夫々、図４に示すように、波型又は凹凸状にプレス成形が施されてウネリ３５が形成されていると同時に、周縁にヨーク状の突起又はバリ３６を有する多数の貫通孔３７が、前記波型又は凹凸に穿設されている。而して、パティキュレートフィルタ３１ａ，３１ｂは、積層された金属板又は金属箔３３の対向面間に排気流路３８を有し、その一端側から他端側へと渦の軸線方向へ向けて排気Ｇｅｘが流通するよう配置されており、パティキュレートフィルタ３１ａ，３１ｂには、バッテリ２８から直接給電を行ない得るようになっている。

従って、ヒータ一体型のパティキュレートフィルタ３１ａ，３１ｂは、金属板又は金属箔３３がパティキュレートフィルタとして機能すると共に、通電することによりそれ自体がヒータとして機能し得るようになっている。なお、図３中、図１に示すものと同一の符号のものは同一のものを示す。

本図示例においては、例えば、ディーゼルエンジンから排出された排気Ｇｅｘは、排気管１から尿素ＳＣＲ触媒システム２の酸化触媒４、選択還元型触媒５を経て電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステム３へ導入される。又、強制再生モードでない場合には、排気Ｇｅｘは電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステム３の入側で二つに分流し、電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステム３の遮熱材６ａ、ヒータ一体型のパティキュレートフィルタ３１ａ、パティキュレートフィルタ８ａを経て下流の排気管１へ排出されると共に、遮熱材６ｂ、ヒータ一体型のパティキュレートフィルタ３１ｂ、パティキュレートフィルタ８ｂを経て下流の排気管１へ排出され、両系統から排出された排気Ｇｅｘは合流して排気管１を下流側へ送給される。

この際、排気Ｇｅｘが尿素ＳＣＲ触媒システム２でＮＯｘが低減されるのは前記図示例と同様なので詳しい説明は省略するが、選択還元型触媒５においては、前記図示例と同様、尿素水Ｗｎはアンモニアと炭酸ガスに分解されると共に、排気Ｇｅｘ中のＮＯ及びＮＯ_２はアンモニアと反応して無害のＮ_２及びＨ_２Ｏに還元処理される。

又、ヒータ一体型のパティキュレートフィルタ３１ａ，３１ｂにおいては、排気流路３８に臨む突起又はバリ３６が流動抵抗として働くうえ、排気Ｇｅｘは排気流路３８の全域に拡散された乱流状態となり、排気流路３８内を均一に通過する。しかも、パティキュレートフィルタ３１ａ，３１ｂの金属板又は金属箔３３は、波型又は凹凸によって排気Ｇｅｘと接触する面積が大きく、且つ、排気流路３８に突起又はバリ３６が突出しているため、排気Ｇｅｘ中のパティキュレートは、突起又はバリ３６に捕集される。

又、ヒータ一体型のパティキュレートフィルタ３１ａ，３１ｂにおいて捕集されなかったパティキュレートは、パティキュレートフィルタ８ａ，８ｂの薄壁面において捕集される。このため、電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステム３から排出された排気Ｇｅｘは清浄化されて排気管１を下流側へ送給される。

電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステム３において、通常運転モードから強制再生モードへの切替えるか否かの判断は、例えば、以下のようにして行なう。すなわち、エンジン制御コンピュータにおいて、圧力検出器２３で検出した排気圧力Ｐ１と圧力検出器２４で検出した排気圧力Ｐ２との差圧を求め、差圧が所定の値以上の場合に強制再生モードであると判断する。

又、強制再生モードの際に、遮熱材６ａ、ヒータ一体型のパティキュレートフィルタ３１ａ、炭化珪素（Ｓｉｃ）等のセラミックで製作された多孔質ハニカム構造のパティキュレートフィルタ８ａの系統と、遮熱材６ｂ、ヒータ一体型のパティキュレートフィルタ３１ｂ、多孔質ハニカム構造のパティキュレートフィルタ８ｂの系統のうちどちらの系統でパティキュレートフィルタ３１ａ，３１ｂ、８ａ，８ｂを強制的に再生させるか決定するのは、種々の手段がある。例えば、最初に何れかのパティキュレートフィルタ３１ａ，８ａ，又はパティキュレートフィルタ３１ｂ，８ｂを含む系統を選択、決定し、後は交互に再生するようにしても良い。或は、温度検出器２４ａ，２４ｂで検出した排気温度Ｔ２ａ，Ｔ２ｂから判断するようにしても良い。再生を選択する系統としては、例えば、排気温度Ｔ２ａ，Ｔ２ｂの低い方を選択する。これは排気温度Ｔ２ａ，Ｔ２ｂが低い方が流通する排気量が少ない（すなわち、パティキュレート捕集量が多い）と判断できるからである。

而して、強制再生モードの場合は、エンジン制御コンピュータ２５からヒータリレー２９ａ，２９ｂの何れかに切替え指令Ｖ５ａ，Ｖ５ｂが与えられ、何れかのヒータリレー２５ａ，２５ｂがオンになる。例えば、ヒータリレー２５ａがオンになった場合には、バッテリ２８からはパティキュレートフィルタ３１ａに通電が行なわれてパティキュレートフィルタ３１ａが抵抗加熱され昇温する。このため、パティキュレートフィルタ３１ａに捕集されていたパティキュレートが燃焼し、パティキュレートフィルタ３１ａが再使用可能に再生される。

ヒータ一体型のパティキュレートフィルタ３１ａの上流側には遮熱材６ａが設けられているため、パティキュレートフィルタ３１ａを高い昇温状態に保持することができる。従って、パティキュレートの燃焼を効率良く行なうことができる。

又、パティキュレートフィルタ３１ａにおけるパティキュレートの燃焼により排気Ｇｅｘも昇温してパティキュレートフィルタ８ａに送給される。このため、パティキュレートフィルタ８ａに捕集されているパティキュレートが燃焼し、パティキュレートフィルタ８ａも再使用可能に再生される。

遮熱材６ａ、パティキュレートフィルタ３１ａ，８ａと、遮熱材６ｂ、パティキュレートフィルタ３１ｂ，８ｂの系統とは並列に設置されているうえ、図１に示すようなシャッタ１５ａ，１５ｂが設けられていないため、電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステム３に導入された排気Ｇｅｘは分流して遮熱材６ａ、パティキュレートフィルタ３１ａ，８ａの系統と、遮熱材６ｂ、パティキュレートフィルタ３１ｂ，８ｂの系統を通過する。パティキュレートをある程度以上捕集したパティキュレートフィルタ３１ａ，３１ｂでは、通気抵抗が増加し、更にそれが何れか一方のパティキュレートフィルタ３１ａ，３１ｂへの通電により抵抗加熱されると、内部の排気の体積が膨張すると共に、粘度も上昇して通気抵抗を更に増大させるので、当該パティキュレートフィルタ３１ａ，３１ｂへ分流される排気Ｇｅｘの流量が自動的に減少し、その減少分だけ他方のパティキュレートフィルタ３１ｂ，３１ａへの排気Ｇｅｘの流量が増大する。

このような状況下でヒータ一体型のパティキュレートフィルタ３１ａ，３１ｂに堆積したパティキュレートが、流量の減少した排気Ｇｅｘからの酸素の供給を受けて燃焼されると共に、その間、他方のパティキュレートフィルタ３１ｂ，３１ａが大部分の排気Ｇｅｘにおけるパティキュレートの捕集処理を受持ち、これらのパティキュレートフィルタ３１ｂ，３１ａもその後、前記と同様にしてパティキュレートの燃焼及び再生工程に順次供され、又、燃焼、再生工程に供されているパティキュレートフィルタ３１ａ，３１ｂの下流側の多孔質ハニカム構造のパティキュレートフィルタ８ａ，８ｂにおいてもパティキュレートの燃焼、再生が行なわれる。

パティキュレートフィルタ３１ａ，３１ｂ、８ａ，８ｂの再生が終了したか否かは、例えば、温度検出器２４ａ，２４ｂで検出した排気温度Ｔ２ａ，Ｔ２ｂにより判断される。すなわち、排気温度Ｔ２ａ，Ｔ２ｂが所定の温度よりも高い状態が所定の時間継続した場合に、エンジン制御コンピュータ２５では、再生は終了したものと判断し、ヒータリレー２９ａ，２９ｂに切替え指令Ｖ５ａ，Ｖ５ｂが与えられる。このため、所定のヒータリレー２５ａ，２５ｂはオフになって、パティキュレートフィルタ３１ａ，３１ｂに対する通電は終了する。

一方の系統のパティキュレートフィルタ３１ａ，８ａ又は３１ｂ，８ｂの再生が終了すると、次回は他方の系統のパティキュレートフィルタ３１ｂ，８ｂ又は３１ａ，８ａの再生が上述したと同様にして行なわれる。

電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステム３においては、ディーゼルエンジンの運転条件に関係なく軽負荷運転やエンジン停止頻度の多い条件下も含めてあらゆる条件下でパティキュレートフィルタの再生が可能となると共に、パティキュレートの高い捕集効率（対パティキュレートで９０％超）を達成することができる。又、再生時に、パティキュレートフィルタ３１ａ，３１ｂが通電により抵抗加熱されると、内部の排気の体積が膨張すると共に、粘度も上昇して通気抵抗を更に増大するので、当該パティキュレートフィルタ３１ａ，３１ｂへ分流される排気Ｇｅｘの流量が自動的に減少し、その減少分だけ他方のパティキュレートフィルタ３１ｂ，３１ａへの排気Ｇｅｘの流量が増大するため、排気Ｇｅｘの流れを遮断するための排気バルブが不要となり、システム構成が簡素化される。

本図示例の排気浄化装置においても、尿素ＳＣＲ触媒システム２と電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステム３を設けているため、ＮＯｘ低減やパティキュレート燃焼を良好に効率良く行なうことができると共に、耐久性に優れた排気浄化装置を提供することができ、又、尿素ＳＣＲ触媒システム２は電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステム３の排気流れ方向上流側に設けているため、電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステム３のパティキュレートフィルタ８ａ，８ｂを再生する際の熱により尿素ＳＣＲ触媒システム２の酸化触媒４や選択還元型触媒５の劣化を生じることがなく、更に、電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステム３は尿素ＳＣＲ触媒システム２の排気流れ方向下流側に配置されているが、パティキュレートフィルタ３１ａ，３１ｂはヒータ一体型で強制的に加熱して再生を行なうようにしているため、パティキュレートの燃焼は何等問題なく行なうことができる。又、排気Ｇｅｘの流れを遮断するための排気バルブが不要となり、システム構成が簡素化される。

なお、本発明の排気浄化装置は上記図示例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明の排気浄化装置の一例を示す縦断側面図である。図１の排気浄化装置に使用する多孔質ハニカム構造のパティキュレートフィルタの一例を示す断面図である。本発明の排気浄化装置の他の例を示す縦断側面図である。本発明の排気浄化装置に使用するヒータ一体型のパティキュレートフィルタにおいて、金属板又は金属箔を波型に成形した状態を示す部分拡大図である。本発明の排気浄化装置に使用するヒータ一体型のパティキュレートフィルタにおいて、金属板又は金属箔を渦巻き状に成形した状態を示す斜視図である。図５の平面図である。本発明の排気浄化装置に使用するヒータ一体型のパティキュレートフィルタを排気の流れ方向から見た部分拡大図である。

符号の説明

１排気管
２尿素ＳＣＲ触媒システム
３電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステム
３ａ電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステム
３ｂ電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステム
４酸化触媒
５選択還元型触媒
６ａ遮熱材
６ｂ遮熱材
７ａ電気ヒータ
７ｂ電気ヒータ
８ａパティキュレートフィルタ
８ｂパティキュレートフィルタ
９ａ酸化触媒
９ｂ酸化触媒
１５ａシャッタ
１５ｂシャッタ
３１ａパティキュレートフィルタ
３１ｂパティキュレートフィルタ
Ｇｅｘ排気

Claims

内燃機関からの排気管の中途部に、排気流れ方向上流側から下流側へ向けて、尿素ＳＣＲ触媒システムと、電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステムとを設けたことを特徴とする排気浄化装置。
電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステムは、複数組並列配置されている請求項１記載の排気浄化装置。
電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステムは、排気流れ方向上流側から下流側に向けて遮熱材、電気ヒータ、多孔質ハニカム構造のパティキュレートフィルタ、酸化触媒を設けた請求項１又は２に記載の排気浄化装置。
電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステムの各排気流れ方向上流側には、排気の流れを遮断し得るシャッタを設けた請求項２又は３に記載の排気浄化装置。
電気ヒータ再生型パティキュレートフィルタシステムは、排気流れ方向上流側から下流側へ向けて遮熱材、給電によりそれ自体が発熱するヒータ一体型のパティキュレートフィルタ、多孔質ハニカム構造のパティキュレートフィルタを設けた請求項１又は２に記載の排気浄化装置。
尿素ＳＣＲ触媒システムは、排気流れ方向上流側に酸化触媒を備え且つ下流側に選択還元型触媒を備えた請求項１乃至５の何れかに記載の排気浄化装置。