JP2007218135A - 排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガス中の粒子状物質を捕集するフィルタ３と、その上流側に酸化触媒担体２を配置した排気ガス浄化装置において、フィルタ前面における排気ガスの温度上昇時に、排気ガス温度の径方向分布を均一化し、ＰＭの燃焼がフィルタの径方向でほぼ同時に開始することのできる排気ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】酸化触媒担体２は径方向中心部から外周部にかけて少なくとも２種類の基材からなり、中心部に位置する基材の方が外周部に位置する基材より熱容量が大きいことを特徴とする排気ガス浄化装置である。また、酸化触媒担体２は排気ガスが通過する多数のセルを有し、径方向中心部に位置する基材のセル密度の方が外周部に位置する基材のセル密度よりも密である。さらに、酸化触媒担体２は径方向中心部から外周部にかけて軸方向長さが変化し、中心部における軸方向長さが外周部における軸方向長さよりも長い。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気ガス中の粒子状物質を捕集する排気ガス浄化装置に関するものである。

近年、ディーゼルエンジンから排気ガスとともに排出される粒子状物質（パティキュレート・モレキュール、以下「ＰＭ」という。）の排出量規制が強化されてきている。このＰＭをディーゼルパティキュレートフィルタ（以下「ＤＰＦ」という。）と呼ばれるフィルタで捕集し、外部に排出されるＰＭの量を低減する技術が開発されている。ＤＰＦを用いた排気ガス浄化装置は、他の排気ガス浄化装置と同様に、エンジン排気管に設置され、エンジンで発生する排気ガスを浄化して排出する。

このＰＭ捕集用のＤＰＦは、ＰＭの捕集に伴って目詰まりが進行し、捕集したＰＭの堆積に伴って排気抵抗が増加するので、ＤＰＦから捕集したＰＭを除去する必要がある。

ＰＭの除去方法のひとつとして、目詰まりにより排気抵抗が増加する前に捕集されたＰＭを適宜燃焼させて、ＤＰＦの再生処理を施す方法が知られている。この場合、通常のディーゼルエンジンの運転ではＰＭが自己燃焼するような高い排気温度を得られないため、ＤＰＦの上流側に酸化触媒を担持した酸化触媒担体を配置し、排気ガス温度が低くてもＰＭを燃焼させる方法が、例えば特許文献１に開示されている。

酸化触媒担体は、白金等を酸化触媒として担持する。この酸化触媒は、酸化触媒担体を通過する排気ガス中の炭化水素（以下「ＨＣ」という。）及び一酸化炭素（以下「ＣＯ」という。）をＣＯ₂（二酸化炭素）とＨ₂Ｏ（水）に変化させるとともに、排気ガス中の窒素酸化物（以下「ＮＯｘ」という。）のうちＮＯ（一酸化窒素）を（２ＮＯ＋Ｏ₂→ＮＯ₂）の反応によりＮＯ₂（二酸化窒素）に効率よく変化させ、排気ガス中のＮＯ₂の比率を高める役割を担っている。

酸化触媒担体を通過した排気ガスは、その下流側のＤＰＦ（以下単に「フィルタ」ともいう。）に到達すると、排気ガス中のＮＯ₂がその強い酸化力によってフィルタ中に堆積されたＰＭを酸化し、ＰＭ（主成分は炭素）は酸化されてＣＯ₂となり除去される。この反応は、排気ガス温度が２５０〜４５０℃の範囲で生じる。通常の高速走行で運転中のディーゼルエンジンでは、排気ガス温度が上記温度範囲内に入っているので、ＰＭの燃焼が連続的に行われる。

一方、低速走行、下り坂走行やアイドリングなどの低負荷運転時には、排気ガス温度が２５０℃に到達しないため、上記反応によるＰＭの燃焼が行われず、ＰＭの堆積が進行して排気抵抗が増加することになる。その場合には、エンジンの燃料噴射において主噴射のタイミング遅延（リタード）操作や後噴射（ポストインジェクション）等の燃料噴射制御を行ったり、酸化触媒担体より上流側で排気ガスに燃料を提供することにより、排気ガス中に含まれた未燃の炭化水素（ＨＣ）を酸化触媒担体内で燃焼させ、その反応熱によって排気ガス温度を２５０℃以上に上昇させ、フィルタ内におけるＰＭ燃焼を行っている。

特開２００２−２７６４４２号公報

ディーゼルエンジンの運転が高速運転から低速あるいはアイドリング運転に移行すると、排気ガス温度が２５０℃を下回ってＰＭ燃焼が停止し、ＰＭの堆積が進行する。ある程度のＰＭ堆積が進んだところで、上記ポストインジェクション等の処理を開始し、排気ガス温度を上昇してＰＭ燃焼を再開する。あるいは運転が高速運転に移行すると、排気ガス温度が上昇してＰＭ燃焼が再開される。ＰＭ燃焼が再開すると、ＰＭの燃焼熱によりフィルタ内部の温度がさらに上昇する。

排気ガス温度が低温から高温に上昇する際において、フィルタ入側における排気ガス温度を観測すると、フィルタの径方向中心部を通過する排気ガス温度が先行して上昇し、外周部を通過する排気ガス温度の上昇が遅れる傾向が見られる。その結果、フィルタの径方向中心部は外周部に比較して早くＰＭ燃焼温度に到達するため、まずフィルタの径方向中心部付近のＰＭが燃焼を開始し、その結果径方向中心部と外周部のフィルタ温度差がさらに大きくなる。その結果、フィルタ内部に温度勾配が生じ、熱応力が発生することとなる。温度勾配が極端に大きくなると、熱応力も過大になり、ついにはＤＰＦが破壊に到る。

本発明は、排気ガス中の粒子状物質を捕集するフィルタと、その上流側に酸化触媒担体を配置した排気ガス浄化装置において、フィルタ前面における排気ガスの温度上昇時に、排気ガス温度の径方向分布を均一化し、ＰＭの燃焼がフィルタの径方向でほぼ同時に開始することのできる排気ガス浄化装置を提供することを目的とする。

即ち、本発明の要旨とするところは以下のとおりである。
（１）排気ガス中の粒子状物質を捕集するフィルタ３と、その上流側に酸化触媒担体２を配置した排気ガス浄化装置において、酸化触媒担体２は径方向中心部から外周部にかけて少なくとも２種類の基材からなり、中心部に位置する基材の方が外周部に位置する基材より熱容量が大きいことを特徴とする排気ガス浄化装置。
（２）排気ガス中の粒子状物質を捕集するフィルタ３と、その上流側に酸化触媒担体２を配置した排気ガス浄化装置において、酸化触媒担体２は排気ガスが通過する多数のセルを有し、径方向中心部に位置する基材のセル密度の方が外周部に位置する基材のセル密度よりも密であることを特徴とする排気ガス浄化装置。
（３）排気ガス中の粒子状物質を捕集するフィルタ３と、その上流側に酸化触媒担体２を配置した排気ガス浄化装置において、酸化触媒担体２は径方向中心部から外周部にかけて軸方向長さが変化し、中心部における軸方向長さが外周部における軸方向長さよりも長いことを特徴とする排気ガス浄化装置。
（４）酸化触媒担体２は、金属箔からなる平箔と金属箔に波付け加工した波箔とを巻きまわして形成し、金属箔表面に酸化触媒を担持してなることを特徴とする上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の排気ガス浄化装置。

本発明の排気ガス浄化装置は、排気ガス中の粒子状物質を捕集するフィルタと、その上流側に酸化触媒担体を配置し、酸化触媒担体の径方向中心部に位置する基材の方が外周部に位置する基材より熱容量が大きく、あるいは酸化触媒担体の径方向中心部に位置する基材のセル密度の方が外周部に位置する基材のセル密度よりも密であり、あるいは酸化触媒担体の径方向中心部における軸方向長さが外周部における軸方向長さよりも長いので、フィルタ前面における排気ガス温度上昇時に、排気ガス温度の径方向分布を均一化し、ＰＭの燃焼がフィルタの径方向でほぼ同時に開始する。これにより、フィルタに発生する熱応力を低減してフィルタの破損発生を防止することができる。

本発明の排気ガス浄化装置においては、図１に示すように、入側の排気管６に接続された入側コーン４によって排気ガス経路の直径が排気管６の径から酸化触媒担体２の径に拡大され、その後に酸化触媒担体２が配置され、さらにその下流側に酸化触媒担体２と同じ径のフィルタ３が配置され、その下流側の出側コーン５によって排気ガス経路の直径がフィルタの径から出側の排気管７の径に縮小される。

フィルタ３はＰＭを捕集するＤＰＦであり、セラミック製のモノリスハニカム型ウォールフロータイプのフィルタや、セラミックや金属を繊維状にした繊維型タイプのフィルタ等が用いられる。ウォールフロータイプのフィルタは、コーディエライトと呼ばれる素焼きの蜂の巣状のモノリスを使用して形成され、このフィルタでＰＭを捕集する。

酸化触媒担体２としては、メタル担体やセラミックス担体が用いられ、いずれも排気ガスが通過する多数のセルが設けられ、セルの壁面に白金等の酸化触媒が担持される。好ましくはメタル担体が用いられる。メタル担体は、金属箔からなる平箔と金属箔に波付け加工した波箔とを重ね合わせた上で巻きまわして形成する。

上流側の排気管６から排気ガス浄化装置に導入された排気ガスは、入側コーン４において排気ガス通路が拡大し、酸化触媒担体２の前面に到達する。酸化触媒担体前面における排気ガスの流速は、酸化触媒担体２の径方向に一様とはならず、径方向中心部に到達する排気ガスの流速は速く、径方向に外周部に近くなるほど排気ガスの流速が遅くなるという速度分布を有している。

酸化触媒担体２が低温である場合、酸化触媒担体２を通過する排気ガスは、通過中に触媒作用によって発熱してガス温度が上昇する一方、低温の酸化触媒担体２に熱を奪われて温度上昇が阻止され、あるいは逆にガス温度が低下する。このとき、酸化触媒担体２を通過する排気ガスの流速が速いほど、酸化触媒担体２に奪われる熱量が少なくなり、酸化触媒担体２を通過してフィルタ３の前面に到った際におけるガス温度が高くなる。上述のとおり、酸化触媒担体２とフィルタ３の径方向中心部における排気ガスの流速が外周部に比較して速いので、フィルタ前面における排気ガス温度は径方向中心部が高く、外周部が低くなるという結果に到る。

排気ガス中の粒子状物質を捕集するフィルタ３と、その上流側に酸化触媒担体２を配置した排気ガス浄化装置において、排気ガス温度が低温から高温に上昇する際、フィルタ入側における排気ガス温度を観測すると、フィルタ３の径方向中心部を通過する排気ガス温度が先行して上昇し、外周部を通過する排気ガス温度の上昇が遅れる傾向が見られたのは、以上のようなメカニズムに従って発生した現象であることが判明した。このような排気ガスの径方向温度分布が存在する結果として、フィルタ３の径方向中心部は外周部に比較して早くＰＭ燃焼温度に到達するため、まずフィルタ３の径方向中心部付近のＰＭが燃焼を開始し、その結果径方向中心部と外周部のフィルタ温度差がさらに大きくなるため、フィルタ内部に温度勾配が生じ、熱応力が発生することとなる。温度勾配が極端に大きくなると、熱応力も過大になり、ついにはＤＰＦが破壊に到る。

本発明は第１に、フィルタ前面における排気ガスの上記のような径方向温度不均一を解消するため、酸化触媒担体２の熱容量を径方向で変化させて中心部の熱容量を外周部の熱容量より大きくする。酸化触媒担体２の熱容量が大きいほど、排気ガスが有している熱が酸化触媒担体２に多く奪われるので、排気ガスの温度上昇代が少なくなる。中心部の熱容量を外周部より大きくすることにより、中心部を通過する排気ガスの温度上昇代をより低くすることができるので、フィルタ前面に到達したときの排気ガスの径方向温度変化を低減して温度を均一にすることが可能となる。

ここで酸化触媒担体２の熱容量とは、酸化触媒担体２における通気単位断面積あたりの熱容量を意味する。従って、メタル担体からなる酸化触媒担体の金属箔厚みを厚くして熱容量を増大する場合と、酸化触媒担体の軸方向長さを長くして熱容量を増大する場合、及びセルを細かくしてセル密度を上げて熱容量を増大させる場合が含まれる。

本発明は第２に、フィルタ前面における排気ガスの上記のような径方向温度不均一を解消するため、酸化触媒担体２の通気抵抗を径方向で変化させて中心部の通気抵抗を外周部の通気抵抗よりも大きくする。酸化触媒担体２の通気抵抗が大きいほど、排気ガスが通りにくくなるので排気ガス流速を遅くすることができる。従来の排気ガス浄化装置においては、酸化触媒担体２を通過する際の排気ガス流速が径方向中心部で速く外周部で遅く、これが温度上昇の不均一を生じている原因であった。本発明では酸化触媒担体２の通気抵抗として中心部の通気抵抗を外周部の通気抵抗より大きくすることにより、径方向中心部のセルを通過しにくくし、中心部を通過する排気ガスの流速を低下し、それに応じて外周部の排気ガス流速を増大し、結果として排気ガスの径方向流速分布を均一化する。これにより、フィルタ３の前面に到達したときの排気ガスの径方向温度変化を低減して温度を均一にすることが可能となる。

次に、本発明の具体的な手段について説明する。

酸化触媒担体２としてメタル担体を用いるに際し、メタル担体を構成する金属箔の箔厚を酸化触媒担体の径方向に変化させ、径方向中心部に用いる金属箔の厚さを外周部に用いる金属箔の厚さより厚くすることにより、中心部に位置する基材の方が外周部に位置する基材より熱容量が大きい酸化触媒担体とすることができる。金属箔の厚さを厚くすると、同一のセル密度であってもセルの排気ガス通過断面積を小さくする効果もあるので、中心部の通気抵抗を外周部の通気抵抗より大きくする効果も生じる。

酸化触媒担体２は排気ガスが通過する多数のセルを有する構造である。ここで径方向中心部に位置する基材のセル密度の方が外周部に位置する基材のセル密度よりも密であることとすれば、セル密度が高いほど担体単位面積当たりの表面積が大きくなるので、排気ガスの通気抵抗が増大する。従って、径方向中心部のセル密度を外周部のセル密度よりも密にすることにより、径方向中心部の排気ガス通気抵抗が外周部よりの通気抵抗よりも大きくなるので、中心部は排気ガス流速が遅くなり、それに応じて外周部の排気ガス流速が速くなる。そのため、従来は中心部の排気ガス流速が外周部よりも速かった傾向を抑えて流速を均一化することができる。さらに、セル密度が密の方が熱容量は大きくなる。金属箔からなる平箔と金属箔に波付け加工した波箔とを巻きまわして形成するメタル担体においては、波箔の波ピッチと振幅の一方又は両方を小さくすることにより、セル密度を密にすることが可能である。

酸化触媒担体２について径方向中心部から外周部にかけて軸方向長さを変化させ、中心部における軸方向長さが外周部における軸方向長さよりも長いこととすることにより、中心部に位置する基材の方が外周部に位置する基材より熱容量が大きくなると同時に、酸化触媒担体の通気抵抗として中心部の通気抵抗を外周部の通気抵抗より大きくすることができる。この両方の作用が相乗効果を生じ、酸化触媒担体を通過する排気ガスの流速が径方向に均一化すると同時に、フィルタ前面に到達する排気ガスの温度を径方向に均一化することができる。

本発明においては、メタル担体を構成する金属箔の箔厚を酸化触媒担体の径方向に変化させる手段、径方向中心部のセル密度を外周部のセル密度よりも密にする手段、酸化触媒担体２について径方向中心部から外周部にかけて軸方向長さを変化させる手段のそれぞれを、単独で用いても良いし、あるいは複数の手段を同時に用いることとしても良い。

直径６０ｍｍの排気管の途中に排気ガス浄化装置を設置するに際し、排気ガス中の粒子状物質を捕集するフィルタ３として直径１９０ｍｍ、長さ２００ｍｍの外側に厚さ５ｍｍのマットを巻いてあるＤＰＦを用い、フィルタの上流側にメタル担体により構成した酸化触媒担体２を配置した。ＤＰＦにはコーディエライト製のモノリスハニカム型ウォールフロータイプのフィルタを用いた。酸化触媒担体２としては、ステンレス鋼箔製の平箔と、ステンレス鋼箔に波付け加工した波箔とを重ね合わせ、これを巻き回してハニカム体とし、ステンレス鋼箔の表面に触媒として白金を担持したものを用いた。

酸化触媒担体２の形状として、図２（ａ）〜（ｄ）に示す形状のものを準備した。図２（ａ）（ｂ）において、基材１の外径（基材２の内径）は１００ｍｍ、基材２の外径は２００ｍｍである。図２（ｃ）（ｄ）において、基材１の外径（基材２の内径）は６０ｍｍ、基材２の外径（基材３の内径）は１４０ｍｍ、基材３の外径は２００ｍｍである。

各実施例について、図２のいずれのタイプであるか、各基材に用いたステンレス鋼箔の箔厚み、セル密度、軸方向長さについては表１に示す。セル密度の「ｃｐｓｉ」はセル／ｉｎ²を意味する。

比較例として、酸化触媒担体が単一の基材（基材１）からなるものを用いた。諸元を表１に示す。

ＤＰＦ前面の温度について、径方向中心部かつ前面から１０ｍｍ深さの温度を測定すると同時に、外周部から２０ｍｍかつ前面から１０ｍｍ深さの温度を測定した。酸化触媒担体とＤＰＦの初期温度を２０℃とし、ＣＯ：０．１ｍｏｌ％、Ｃ₃Ｈ₆：２００ｍｏｌｐｐｍ、ＮＯ：２００ｍｏｌｐｐｍ、Ｏ₂：１６ｍｏｌ％、ＣＯ₂：４ｍｏｌ％、Ｈ₂Ｏ：４ｍｏｌ％、残部Ｎ₂の排気ガスを０．０７６Ｎｍ³／ｓｅｃ、昇温速度４．３℃／ｓｅｃで排気ガス浄化装置に供給し、供給開始後１００秒後におけるＤＰＦの上記２箇所の温度を測定した。温度測定結果を表１に「中心部」「外周部」として示す。

比較例は、酸化触媒担体の中心部から外周部まで同一の基材を用いている。その結果、ＤＰＦ前面における中心部の温度が４４３℃であったのに対し、外周部の温度が３６１℃と低い温度になった。

本発明例Ｎｏ．１、２は、外周側に位置する基材２のセル密度を粗にし、酸化触媒担体の外周部の基材について、中心部よりも熱容量を小さくすると同時に外周部に流れるガス量の増大を図った。その結果、いずれも外周部の温度が比較例に対比して上昇した。

本発明例Ｎｏ．３、４は、酸化触媒担体中心部の基材１について箔厚みを５０μｍとして熱容量を大きくした。その結果、ＤＰＦ中心部の温度が低下し、中心部と外周部の温度格差を小さくすることができた。Ｎｏ．４は外周部の基材２の箔厚みを２０μｍと薄くして熱容量を小さくしたので、外周部の温度を上昇させることもできた。

本発明例５、６は、酸化触媒担体の外周部の基材２の長さを短くして熱容量の低減を図った。その結果、ＤＰＦ外周部の温度を上昇させることができた。

本発明例７、８は、図３（ｃ）に示すように基材１〜３の３重構造とした。Ｎｏ．７については基材毎の箔厚みを変更して熱容量に差をつけた。Ｎｏ．８については基材毎のセル密度を変更して熱容量とガスの通りやすさに差をつけた。いずれも、比較例と対比してＤＰＦ外周部の温度を上昇させることができた。

フィルタと酸化触媒担体を配置した排気ガス浄化装置を示す断面図である。 各実施例の酸化触媒担体形状を示す図である。

符号の説明

２ 酸化触媒担体
３ フィルタ（ＤＰＦ）
４ 入側コーン
５ 出側コーン
６ 排気管（入側）
７ 排気管（出側）
８ 排気ガス

Claims (4)

1. 排気ガス中の粒子状物質を捕集するフィルタと、その上流側に酸化触媒担体を配置した排気ガス浄化装置において、酸化触媒担体は径方向中心部から外周部にかけて少なくとも２種類の基材からなり、中心部に位置する基材の方が外周部に位置する基材より熱容量が大きいことを特徴とする排気ガス浄化装置。
2. 排気ガス中の粒子状物質を捕集するフィルタと、その上流側に酸化触媒担体を配置した排気ガス浄化装置において、酸化触媒担体は排気ガスが通過する多数のセルを有し、径方向中心部に位置する基材のセル密度の方が外周部に位置する基材のセル密度よりも密であることを特徴とする排気ガス浄化装置。
3. 排気ガス中の粒子状物質を捕集するフィルタと、その上流側に酸化触媒担体を配置した排気ガス浄化装置において、酸化触媒担体は径方向中心部から外周部にかけて軸方向長さが変化し、中心部における軸方向長さが外周部における軸方向長さよりも長いことを特徴とする排気ガス浄化装置。
4. 前記酸化触媒担体は、金属箔からなる平箔と金属箔に波付け加工した波箔とを巻きまわして形成し、金属箔表面に酸化触媒を担持してなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の排気ガス浄化装置。

Images