JP2007514523A - 内燃機関用排ガス装置 - Google Patents

Abstract

内燃機関用排ガス装置は排ガスから煤を除去するために深層フィルター（１６）を有する。深層フィルター（１６）は煤の酸化を促進する触媒材料（１８）を有する。深層フィルター（１６）の内部細孔組織（２８）に触媒材料（１８）が備えられ、前記材料は最高で約４００℃の温度から、きわめて有利に最高で約３５０℃の温度から液状である。

Description

本発明は排ガスから煤を除去するための深層フィルターを有する内燃機関用排ガス装置に関し、少なくとも深層フィルターが煤の酸化を促進する触媒材料を有する。

冒頭に記載された形式の排ガス装置はドイツ特許第１０１３０３３８号から公知である。この文献にはディーゼル内燃機関用排ガス装置が記載される。この排ガス装置を使用して排ガスから煤粒子を濾別することができる。

このための１つの可能性は表面フィルターであり、前記フィルターはハネカム構造を有する壁流動フィルターまたは壁流フィルターとして実現され、流動通路が交互に閉じており、排ガスが多孔性フィルター壁をとおり流れなければならない。しかし煤の負荷が増加するとともにフィルターの閉塞を回避するために、このフィルターは集める煤またはすでに集めた煤を連続的にまたは周期的に除去しなければならない。これは熱的燃焼法および／または触媒活性法により可能である。

熱的方法を使用する場合にまず排ガスから一酸化窒素を二酸化窒素に変換しなければならない。この二酸化窒素が再び約３００℃の温度からディーゼル煤を酸化することができる。しかし現代の内燃機関はきわめて少ない一酸化窒素のみを排出するので、ディーゼル煤を変換するためにしばしば不十分な二酸化窒素を使用する。これに対して触媒活性法は従来しばしばかなり効率が悪く、それというのも煤と触媒の接触面が小さいからである。

ドイツ特許第１０１３０３３８号から深層フィルターが公知である。これは連続気泡系を有し、前記系はフィルター体の内部で比較的大きい煤粒子を堆積できるように形成される。従ってこの深層フィルターのフィルター作用はその全部の体積もしくは全部の表面にわたる。この場合も深層フィルターの閉塞は前記フィルターに触媒を備えることにより回避され、前記触媒はかなり低い温度においても深層フィルター中の煤の酸化を可能にすべきである。このために触媒粒子を微粉末で深層フィルターの表面に分配する。

本発明の課題は、冒頭に記載の形式の排ガス装置を、一方で排ガスからできるだけ高い割合の煤粒子を濾別することができ、他方で使用されるフィルターの簡単でかつ効果的な再生が可能であるように再構成することである。

前記課題は冒頭に記載の形式の排ガス装置において、深層フィルターの内部細孔組織が触媒材料を備えており、前記材料が深層フィルターの運転温度で、特に最高で約４００℃から、きわめて有利に最高で約３５０℃の温度から液状であることにより解決される。

発明の利点
使用される深層フィルターでの液状触媒の使用は、触媒材料が液体の状態で煤粒子に対して流れ、更に煤粒子を覆うことができ、従来集積した煤よりかなり低い温度で酸化できるという利点を有する。その際煤粒子と触媒の間に何倍もの大きい接触面を提供し、これが深層フィルターに貯蔵される煤粒子の酸化速度を明らかに高める。その際液体の状態はすでに深層フィルターの運転温度で存在し、一般に排ガス温度と関係する。運転温度は再び通常の運転でまたは特殊な運転段階で達成できる。

本発明の有利な構成は従属請求項に記載される。

まず深層フィルターの触媒材料が溶融塩材料、特にＣｓ_２ＳＯ_４Ｖ_２Ｏ_５もしくはＣｓバナジン酸塩またはＡｇ化合物、特にＡｇバナジン酸塩を有することが提案される。これらの材料は約３５０℃の温度から液体の形で存在する。

これらの材料は場合により他の触媒作用する物質、例えばアルミニウム、ジルコニウム、酸化セリウムおよび／または例えばＣｅ／ＺｒＯ_２のような混合酸化物のような担体上のまたは担体なしのＲｈおよび／またはＰｄ、アルミニウム、ジルコニウム、酸化セリウムおよび／または例えばＣｅ／ＺｒＯ_２のような混合酸化物のような担体上のまたは担体なしの第１１族の元素（Ａｇ、Ａｕおよび／またはＣｕ）、酸素を貯蔵し、排出する材料、例えばＭｎ、Ｆｅ、Ｃｅ、Ｐｒの化合物、排ガス条件下で硝酸塩を形成する材料（ＮＯ_ｘ貯蔵体）、特にアルカリ土類金属元素、第３族元素、希土類金属元素および／または高い酸性度により際立つ材料、例えばゼオライト、および以下の酸化物または酸化物混合物：ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、酸化ホウ素と組み合わせることができる。

深層フィルターが約４０μｍ〜約１０００μｍの範囲の細孔直径および少なくとも約６０％の多孔度を有する連続気泡の炭化珪素フォームフィルターを有する排ガス装置が特に有利である。この深層フィルターは比較的廉価であり、簡単に製造することができ、十分に良好なフィルター効率を有する。

排ガス装置が後方に接続された表面フィルターを有し、表面フィルターの上流に触媒装置が配置され、前記装置により排ガスから二酸化窒素が形成される。

本発明によるこの排ガス装置は排ガスに含まれる煤粒子の９９％より多くを濾別することを可能にする。深層フィルターが原理にもとづき排ガスに含まれる煤粒子の最大約９０％を濾別できるにもかかわらず、これは後方に接続された表面フィルターにより可能になり、前記フィルターは再び深層フィルターを貫流する約１０％の煤粒子を９５〜９９％まで濾別できる。しかし全体として見て少ない煤の量が全体として表面フィルターにまで到達するので、このフィルターはかなり長い間運転することができ、そこに形成されるフィルターケーキを分離しなくてよい。従って全体として簡単に運転し、長い寿命を有し、排ガスからほとんどすべての煤粒子の濾別を可能にする排ガス装置が提供される。

提案された触媒装置は特に白金触媒材料を使用して運転できる。これにより内燃機関の運転中に二酸化窒素が形成され、この二酸化窒素は表面フィルターで相当する温度で煤を分離する。これは連続的に可能であり、表面フィルターの完全な不在を可能にし、それというのも深層フィルターからかなり少ない煤が全体として表面フィルターに到達し、そこでかなり少ない煤の量のみを焼却することが必要である。

排ガス装置が後方に接続された表面フィルターを有し、表面フィルターの構造体に触媒材料が備えられていることも可能である。深層フィルターから抑制されない粒子が表面フィルターにより少なくとも大部分ガス流から濾別される。しかし表面フィルターは提案された深層フィルターにより全粒子材料の一部分のみを処理しなければならず、これは例えば排ガスに含まれる二酸化窒素を使用して前記材料の連続的再生を可能にする。触媒材料により表面フィルターでの煤粒子の酸化がなお改良される。

その際表面フィルターの触媒材料が前記の広い範囲の列挙されたものからの材料を有する場合が特に有利である。

選択的にまたは付加的に表面フィルターの触媒材料は従来のＮＯ_ｘ貯蔵触媒材料、従来のＮＨ_３ＳＣＲ触媒材料および／または窒素の排出を減少するその他の材料を有することができる。これにより表面フィルターは付加的な機能を取得し、すなわち更なる排出、特に窒素酸化物の排出を減少する触媒装置として用いられる。

比較的廉価な表面フィルターは約５０〜３００ｃｐｓｉの気泡数、約５０％の多孔度および最高で約１００μｍ、有利に最高で約４０μｍ、更に有利に最高で約１０μｍの細孔直径を有するコーディエライトフィルターである。

本発明の排ガス装置は、表面フィルターが流入側にＰｔ触媒材料、特にＰｔ−Ｃｅ／ＺｒＯ_２を有し、流出側に従来のＮＯ_ｘ貯蔵触媒材料を有する場合に特にコンパクトに形成される。この場合に表面フィルターの入口で煤の燃焼に必要な二酸化窒素が再生され、出口側で表面フィルターが窒素酸化物の排出を減少するＮＯ_ｘ貯蔵触媒として運転される。

本発明は深層フィルターの後方に表面フィルターが接続されている形式の排ガス装置を有する内燃機関を運転する方法に関する。表面フィルターに貯蔵される煤を連続的に酸化することが提案される。これは、なおかなり少ない煤粒子が表面フィルターにまで到達し、そのためにかなり大きい体積流が表面フィルターを貫流するので可能である。この方法で表面フィルターは常に最大に通過できるように維持され、これにより排ガス装置の効率が最適になる。

図面
以下に本発明の特に有利な実施態様を図面により詳細に説明する。
図１は深層フィルターおよび後方に接続された表面フィルターを有する排ガス装置の図であり、図２は図１の深層フィルターの１つの領域の断面図であり、図３は図２の細部ＩＩＩの図であり、図４は図１の表面フィルターの１つの領域の断面図である。

実施例の説明
図１において内燃機関の排ガス装置が全体として参照符号１０を有する。内燃機関自体は図にのみ示され、参照符号１２で示される。熱い燃焼排ガスが内燃機関１２から排ガス管１４により排出される。排ガス管はまず深層フィルター１６に導かれ、深層フィルターは触媒活性装置１８が備えられている。触媒活性装置は更に以下になお詳細に説明される。深層フィルター１６から排ガス管１４が更に表面フィルター２０に導かれる。表面フィルターは流入側に触媒活性装置２２および流出側に他の触媒活性装置２４を備えている。表面フィルターは同様に更に以下に詳しく説明する。

内燃機関１２はディーゼル内燃機関である。その排ガスに、特に所定の運転段階中にまずなお煤粒子が含まれ、煤粒子は２つのフィルター１６および２０により排ガス流から濾別される。深層フィルター１６において煤粒子がフィルターの内部に貯蔵される。従って深層フィルター１６において全部の体積もしくは全部の表面にわたりフィルター作用が存在する。深層フィルター１６の内部領域の断面図が図２に示される。それにより深層フィルター１６は細孔２６を有し、細孔は深層フィルター１６の構造体２８の間に形成される。この構造体は本発明の実施例においては炭化珪素から製造され、いわゆる連続気泡の炭化珪素フォームフィルター１６が形成される。

しかし深層フィルター１６に関して、排ガス管１４を貫流する排ガスから煤粒子を濾別するために適した、原則的にすべての、セラミックおよび金属材料もしくはこれらの両方からなる組合せ物からなる連続気泡の成形体およびばら物が該当する。特に比較的大きい煤粒子を深層フィルターにより濾別することができるべきである。細孔直径は約４０μｍ〜約１０００μｍの範囲で変動する。全体として深層フィルター１６は６０％より大きい多孔度を有する。

図３の拡大した細部の図から理解できるように、深層フィルター１６の炭化珪素構造体２８は触媒活性材料１８を備えている。触媒活性材料は前記材料が比較的低い温度で煤粒子の酸化もしくは燃焼を促進するように選択され、これにより深層フィルター１６の閉塞が回避される。深層フィルター１６に使用される触媒活性材料１８は比較的低い温度で液体である特徴を有する。この温度は、触媒活性材料が内燃機関の通常の運転中に常に液体であるように、深層フィルター１６の通常の運転温度の範囲内にあってもよいが、内燃機関１２から排ガス管１４により排出される排ガスが相当する高い温度を有する、特別の運転段階に内燃機関１２が存在する場合にのみ触媒活性材料１８が液体であるように高くてもよい。

いわゆる溶融塩触媒材料、例えばＣｓ_２ＳＯ_４Ｖ_２Ｏ_５またはＣｓバナジン酸塩の場合に、触媒活性材料１８が液体である温度は約３５０〜４００℃である。触媒活性材料１８の液化により深層フィルター１６に堆積される煤粒子３０は触媒活性材料１８によりきわめて緊密に接触し、一部は更に少なくとも一時的に完全に包囲される。これによりエネルギーの投入が同じできわめて高い変換速度が達成される。この種の液体触媒は冒頭に記載された他の触媒作用する材料と組み合わせることができる。

しかし図示された深層フィルター１６は原理にもとづき最大９０％のフィルター効率を有する。これにより少なくとも１０％の煤粒子３０が深層フィルター１６を通過し、表面フィルター２０に到達する。表面フィルター２０は壁流動フィルターまたは壁流フィルターである。このフィルターは流動方向で見てハネカム状構造体を有し、前記構造体はコーディエライトからなり、図４に参照符号３２を有する。若干のハネカムは内燃機関１２に向かう面で開放され、内燃機関１２からそれた面で閉鎖されている（排ガス流は図４で矢印３３により示される）。これらのハネカムは図４で参照符号３４を有する。ハネカム３４に隣接する他のハネカム３６は内燃機関１２に向かう面で閉鎖され、内燃機関からそれた面で開放している。

表面フィルター２０の構造体３２の多孔性によりフィルター作用が得られ、排ガス流は図４の矢印３８に相当してハネカム３４の壁面をとおりハネカム３６に侵入する。図４に示される表面フィルターは気泡の数５０〜３００ｃｐｓｉ、多孔度約５０％および細孔直径１０〜３０μｍを有する。構造体３２の多孔度は表面フィルター２０が排ガス流から小さい煤粒子を濾別するように選択される。表面フィルター２０のフィルター効率は９５〜９９％である。全体として深層フィルター１６および表面フィルター２０の組合せにより排ガスから９９％より高い煤粒子を濾別する。

時間が経過して表面フィルター２０に貯蔵される煤粒子３０がいわゆるフィルターケーキを形成し、フィルターケーキは、大きすぎる場合は表面フィルター２０の透過性に影響し、排ガス逆圧が高くなることがある。しかしこのフィルターケーキは煤粒子３０からきわめて緩慢に形成され、それは全体としてきわめて少ない煤粒子３０が全体として表面フィルター２０にまで到達するからである。それにもかかわらず表面フィルター２０はいわゆるＣＲＴ法により煤粒子を連続的にまたは周期的に分離する。

このために表面フィルター２０は内燃機関１２に向かう面に（流入側に）白金触媒材料、ここではＰｔ−Ｃｅ／ＺｒＯ_２混合物を有する構造体２２を有する。これによりいずれにしても排ガスに含まれる一酸化窒素を二酸化窒素に酸化する。この二酸化窒素を使用して表面フィルター２０に貯蔵される煤３０を同様にかなり低い温度で（４００℃未満）有利に連続的に酸化することができる。

内燃機関１２からそれた表面フィルター２０の構造体３２の表面に触媒層２４が備えられ、触媒層は本発明の実施例では従来のＮＯ_ｘ貯蔵触媒材料からなる。これにより排ガスに存在する酸化窒素が減少する。これは表面フィルター２０の本来の機能と関係なく、取り付け空間を節約する。冒頭に記載されたような他の触媒活性材料の使用も基本的に考えられる。

深層フィルターおよび後方に接続された表面フィルターを有する排ガス装置の図である。 図１の深層フィルターの１つの領域の断面図である。 図２の細部ＩＩＩの図である。 図１の表面フィルターの１つの領域の断面図である。

Claims (11)

1. 排ガスから煤（３０）を除去するための深層フィルター（１６）を有する内燃機関（１２）用排ガス装置（１０）であり、深層フィルター（１６）が煤の酸化を促進する触媒材料（１８）を有する、内燃機関用排ガス装置において、深層フィルター（１６）の内部細孔組織（２８）に触媒材料（１８）が備えられ、触媒材料が深層フィルター（１６）の運転温度で、特に最高で約４００℃の温度から、きわめて有利に最高で約３５０℃の温度から液体であることを特徴とする、内燃機関用排ガス装置。
2. 深層フィルター（１６）の触媒材料（１８）が溶融塩材料、特にＣｓ_２ＳＯ_４Ｖ_２Ｏ_５またはＣｓバナジン酸塩またはＡｇ化合物、特にＡｇバナジン酸塩を有する請求項１記載の排ガス装置（１６）。
3. 触媒材料が更に以下のものを有する請求項２記載の排ガス装置：
   アルミニウム、ジルコニウム、酸化セリウムおよび／または例えばＣｅ／ＺｒＯ_２のような混合酸化物のような担体上のまたは担体なしのＲｈおよび／またはＰｄ、アルミニウム、ジルコニウム、酸化セリウムおよび／または例えばＣｅ／ＺｒＯ_２のような混合酸化物のような担体上のまたは担体なしの第１１族の元素（Ａｇ、Ａｕおよび／またはＣｕ）、酸素を貯蔵し、排出する材料、例えばＭｎ、Ｆｅ、Ｃｅ、Ｐｒの化合物、排ガス条件下で硝酸塩を形成する材料（ＮＯ_ｘ貯蔵体）、特にアルカリ土類金属元素、第３族元素、希土類金属元素および／または高い酸性度により際立つ材料、例えばゼオライト、および以下の酸化物または酸化物混合物：ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、酸化ホウ素。
4. 底部フィルター（１６）が約４０μｍ〜約１０００μｍの範囲の細孔直径および少なくとも約６０％の多孔度を有する連続気泡の炭化珪素フォームフィルター（２８）を有する請求項１から３までのいずれか１項記載の排ガス装置（１６）。
5. 排ガス装置（１６）が後方に接続された表面フィルター（２０）を有し、表面フィルター（２０）の上流に触媒浄化装置（２２）が配置され、前記装置により排ガスから二酸化窒素が形成される請求項１から４までのいずれか１項記載の排ガス装置（１６）。
6. 排ガス装置（１６）が後方に接続された表面フィルター（２０）を有し、表面フィルター（２０）の構造体（３２）が触媒材料（２４）を備えている請求項１から５までのいずれか１項記載の排ガス装置（１６）。
7. 触媒材料（２４）が請求項２に列挙されたものからなる材料を有する請求項６記載の排ガス装置（１６）。
8. 触媒材料（２４）が従来のＮＯ_ｘ貯蔵触媒材料、従来のＮＨ_３ＳＣＲ触媒材料および／または窒素酸化物の排出を減少するその他の材料を有する請求項６または７記載の排ガス装置（１６）。
9. 表面フィルター（２０）が約５０〜約３００ｃｐｓｉの気泡数、約５０％の多孔度および最高で約１００μｍ、有利に最高で約４０μｍ、更に有利に最高で約１０μｍの細孔直径を有するコーディエライトフィルター（３２）を有する請求項６から８までのいずれか１項記載の排ガス装置（１６）。
10. 表面フィルター（２０）が流入側にＰｔ触媒材料（２２）、特にＰｔ−Ｃｅ／ＺｒＯ_２および流出側に従来のＮＯ_ｘ貯蔵触媒材料（２４）を有する請求項６から９までのいずれか１項記載の排ガス装置（１６）。
11. 請求項５から１０までのいずれか１項記載の排ガス装置（１６）を有する内燃機関を運転する方法において、表面フィルター（２０）中に沈殿する煤（３０）を連続的に酸化することを特徴とする内燃機関を運転する方法。

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