JP2009293412A - 排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】浄化効率を下げることなく小型化が可能なディーゼルエンジンの排気浄化装置を提供する。
【解決手段】ディーゼルエンジン（２０）の排気ガスを浄化する排気浄化装置において、排気ガス中の一酸化窒素を二酸化窒素に酸化する酸化触媒（１１）と、排気ガス中の窒素酸化物を窒素及び酸素に還元する還元触媒（１３）と、前記酸化触媒（１１）及び前記還元触媒（１３）に狭持されるパティキュレートフィルタ（１２）と、を備え、前記パティキュレートフィルタ（１２）は、不織布によって構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディーゼルエンジンの排気浄化装置に関し、より詳細には、浄化効率を下げることなく小型化が可能な排気浄化装置に関する。

ディーゼルエンジンの排気ガスにはさまざまな物質が含まれる。このうち、炭素成分の煤等からなる粒子状物質（ＰＭ：Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）をフィルタによって捕集する、いわゆるＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）が実用化されており、ＰＭの排出を低減している。

このようなＤＰＦとして、排気ガスの上流側に酸化触媒を、その下流側にフィルタを備え、酸化触媒からのＮＯ₂による反応によってフィルタに収集されたＰＭを燃焼させるように構成した排気浄化装置（特許文献１参照。）が知られている。

この場合、発生したＮＯ₂が未処理のまま排出されので、これを防ぐために、酸化触媒、ＮＯ_xトラップ触媒、フィルタ、ＮＯ_x還元触媒を順次配置し、酸化触媒によって発生したＮＯｘを後段のＮＯ_x還元触媒によって浄化する排気浄化装置（特許文献２参照。）も知られている。

このように、酸化触媒及びフィルタの後段にＮＯ_x還元触媒を配置する場合は、装置全体が大型化してしまい、スペース効率等が悪化する。これに対して、不織布状積層体を、排気ガス上流から向かって一酸化窒素酸化部、粒子状物質捕獲部、窒素酸化物浄化部に区分して、目的の触媒等を担持した排気ガス浄化装置（特許文献３参照。）も知られている。
特開２００５−１９４９４９号公報 特開２００２−２７６３３７号公報 特開２００２−３５７１２０号公報

前述の特許文献１のような排気浄化装置は、フィルタ再生に消費されなかったＮＯ_xの処理が考慮されていない。そこで、特許文献２のように、フィルタの後段にＮＯ_x還元触媒を配置することも考えられるが、この場合は、還元触媒を配置するスペースを確保する必要があるので、排気浄化装置全体が大きくなってしまい、レイアウトに制限が発生する場合がある。

一方で、特許文献３のように、不織布状積層体に触媒を担持させる場合は、排気ガスの圧力上昇を抑えるために不織布の密度をある程度小さくする必要があるが、その場合には、排気ガスの排圧によって不織布が変形したり偏ったりする場合がある。これを防ぐためにメッシュ板等を挿入することも考えられるが、この場合は、部品点数の増加や作業工程の追加によりコストが増加する。

本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、ＰＭをはじめとしたディーゼル排気ガスの浄化効率を低下させることなく、小型化が可能なディーゼルエンジンの排気浄化装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、ディーゼルエンジンの排気ガスを浄化する排気浄化装置において、排気ガス中の一酸化窒素を二酸化窒素に酸化する酸化触媒と、排気ガス中の窒素酸化物を窒素及び酸素に還元する還元触媒と、前記酸化触媒及び前記還元触媒に狭持されるパティキュレートフィルタと、を備え、前記パティキュレートフィルタは、不織布によって構成されていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の排気浄化装置において、前記酸化触媒は、排気ガス流れ方向の上流側に設けられ、前記還元触媒は、排気ガス流れ方向の下流側に設けられることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の排気浄化装置において、前記酸化触媒は、排気ガスの流れ方向と垂直方向にガスが流通可能な孔を備えた箔板を多重に巻回して形成されるハニカム構造であることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一つに記載の排気浄化装置において、前記酸化触媒、前記パティキュレートフィルタ及び還元触媒が密着して設けられ、前記酸化触媒の触媒反応熱によって前記パティキュレートフィルタ及び還元触媒を昇温させることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれか一つに記載の排気浄化装置において、前記酸化触媒及び前記還元触媒は、排気浄化装置の外筒に固定され、前記パティキュレートフィルタのガス流れ方向への移動を規制することを特徴とする。

請求項１に記載の発明によると、酸化触媒と還元触媒に狭持されるパティキュレートフィルタを、不織布によって構成したので、ＰＭの捕集効率を損なうことなくパティキュレートフィルタの厚さを小さくすることができる。また、パティキュレートフィルタの変形を抑えつつ、ＮＯ_xを適切に浄化できる。これにより、排気浄化装置を小型化することができるので、スペース効率が向上し、排気系のレイアウトの自由度を高めることができる。

請求項２に記載の発明によると、酸化触媒は排気ガス流れ方向の上流側に設けられ、還元触媒は排気ガス流れ方向の下流側に設けられるので、パティキュレートフィルタにおいてＰＭを連続再生することができると共に、余剰のＮＯ_xを適切に浄化することができる。

請求項３に記載の発明によると、酸化触媒は、排気ガスの流れ方向と垂直方向にガスが流通可能な孔を備えた箔板を多重に巻回して形成された、いわゆるスリット担体であるので、排気ガスの排圧を均一化させることができ、パティキュレートフィルタの変形を抑えることができると共に、ＰＭの捕集効率を高めることができる。

請求項４に記載の発明によると、酸化触媒、パティキュレートフィルタ及び還元触媒が密着して設けられ、酸化触媒の触媒反応熱によってパティキュレートフィルタ及び還元触媒を昇温させるので、いわゆるコールドスタート時など、排気ガス温度が低い状態においても昇温を促進させることができ、ＰＭの再生効率及びＮＯ_xの浄化効率を高めることができる。

請求項５に記載の発明によると、酸化触媒及び還元触媒は排気浄化装置の外筒に固定され、前記パティキュレートフィルタのガス流れ方向への移動を規制するので、パティキュレートフィルタの固定のために部品点数を増やす必要がなく、パティキュレートフィルタの変形を防止することができ、排気浄化装置の製造コストを抑えることができる。

以下に、本発明の実施形態の排気浄化装置１０について図面を用いて説明する。

図１は、本発明の実施形態の排気浄化装置１０を中心とした説明図である。
この排気浄化装置１０は、車両に搭載されるエンジン２０の排気ガスを流通する排気管３０の途中に備えられる。また、排気浄化装置１０の後方には消音器４０が備えられる。なお、図中の矢印は排気ガスの流れ方向を示す。

エンジン２０は、例えばコモンレール式の燃料供給装置を備えるディーゼルエンジンによって構成される。

エンジン２０は、運転により排気ガス中に煤（Ｓｏｏｔ）や可溶性有機成分（ＳＯＦ；Ｓｏｌｕｂｌｅ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｆｒａｃｔｉｏｎ）を主成分とする粒子状物質（ＰＭ；Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）を発生する。このＰＭを大気に放出することを防止するために、排気管３０の途中に、不織布等より構成されたパティキュレートフィルタ（フィルタ部１２）を備え、このパティキュレートフィルタによってＰＭを捕集することが一般的である。

エンジン２０が排出する排気ガスによって、フィルタ部１２には徐々にＰＭが堆積する。このＰＭの堆積によって排気ガスの流通が損なわれるので、フィルタ部１２からＰＭを除去する処理（「再生」と呼ぶ）が必要となる。フィルタ部１２の再生には、取り外して洗浄したり、加熱してＰＭを燃焼させる方法もあるが、ストイキオメトリ時に排気ガス中に多く発生するＮＯ（一酸化窒素）から、酸化触媒によりＮＯ₂（二酸化窒素）を発生させ、このＮＯ₂の酸化作用によりＰＭを燃焼させて無害なガス（Ｎ₂（窒素）、ＣＯ₂（二酸化炭素）、Ｈ₂Ｏ（水））として排出する方法（「連続再生」と呼ぶ）が、用いられる。

本発明の実施形態では、ＰＭを捕集するフィルタ部１２を、酸化触媒部１１と共に排気浄化装置１０に設けフィルタ部１２の連続再生を行うよう構成すると共に、排気浄化装置１０を小型化することができるように構成した。さらに、ＮＯ_x等の有害物を浄化するように、以下に示すような特徴的な構成を備える。

排気浄化装置１０は、その外形を構成する略筒状のケース１０ａ内に、排気ガスの流れ方向の上流側に酸化触媒部１１を、排気ガスの流れ方向の下流側に還元触媒部１３を、それぞれ備えた。そして、これら酸化触媒部１１と還元触媒部１３との間に、フィルタ部１２を備えた。

酸化触媒部１１は、５０μｍ程度の金属箔材を波板状に加工したものと平板状または小波板状にしたものを重ね巻回して、多数の排気ガス流通経路を有するハニカム構造からなる担体に、ロジウム、パラジウム、白金等の貴金属を含む触媒（酸化触媒）を担持させて構成されている。酸化触媒部１１は、触媒の酸化作用により、排気ガス中のＮＯやＣＯ（一酸化炭素）を、排気ガス中の酸素と化合させて、ＮＯ₂やＣＯ₂（二酸化炭素）を生成する。

酸化触媒部１１の担体は、スリット担体によって構成される。スリット担体とは、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、多数の孔１１ａを開口した波板及び平板または小波板からなる金属箔材１１ｂを交互に重ね、多重に巻回して構成される。これにより、酸化触媒部１１の担体は、ガス流れ方向にはハニカム構造であるが、排気ガス流れ方向と垂直の方向にガスが自由に流通可能となる。このような構成により、酸化触媒部１１からフィルタ部１２へと流通する排気ガス圧力がより均一化されるまた、中心部と外周部との温度差も平均化される。その結果、排気ガスの圧力の偏りによるフィルタ部１２の変形や熱膨張差による応力の発生を防止することができる。

フィルタ部（パティキュレートフィルタ）１２は、例えば金属繊維からなる、不織布状の繊維により構成される。この不織布状の繊維が、排気ガス中のＰＭを捕集する。また、捕集されたＰＭは、後に説明する再生処理によって二酸化炭素や水等に分解されて、排気管３０から消音器４０を経て、大気へと排出される。

このフィルタ部１２の不織布状繊維の密度及び厚さは、ＰＭを効果的に捕集し、かつ、排気ガスの排圧が過度に上昇しないように適切な値に設定される。なお、厚さについては、所定の厚さ以上に増してもＰＭの捕集効率は頭打ちとなるため、捕集効率が頭打ちとなる程度の厚さに設定すればよい。

還元触媒部１３は、５０μｍ程度の金属箔材を波板状に加工したものと平板状または小波板状にしたものを重ね巻回して、多数の排気ガス流通経路を有するハニカム構造からなる担体に、ロジウム、パラジウム、白金等の貴金属を含む触媒（ＮＯ_x還元触媒）を担持させて構成されている。この還元触媒部１３は、触媒の還元作用により、排気ガス中のＮＯ₂をはじめとした窒素酸化物（ＮＯ_x）をＮ₂（窒素）とＯ₂（酸素）とに分解する。

還元触媒部１３は、図３に示すように、金属箔材を波板状に加工したものと平板状または小波板状にしたものを重ね巻回して構成される。なお、前述の酸化触媒部１１の担体と同様のスリット担体であってもよいし、ハニカム担体であってもよい。

これら酸化触媒部１１及び還元触媒部１３は、ケース１０ａの内壁に、拡散結合、ロウ付け、溶接等によって固定される。これにより、酸化触媒部１１と還元触媒部１３とに狭持されたフィルタ部１２のガス流れ方向への移動が規制されるため、フィルタ部１２の変形を防止することができる。

このように構成された本発明の実施の形態の排気浄化装置１０は、次のように作用することによって、排気ガス中の有害物質を浄化する。

エンジン２０から排気管３０に排出される排気ガスは、排気浄化装置１０において、まず酸化触媒部１１を通過する。酸化触媒部１１では、排気ガス中のＮＯが排気ガス中の酸素により酸化され、ＮＯ₂としてフィルタ部１２へと流通する。また、排気ガス中のＣＯが排気ガス中の酸素により酸化され、ＣＯ₂として流通する。

一般的に、筒状の排気管３０を流れる排気ガスは、排気管３０の中央部において流速が速く圧力も高いが、排気管３０の内壁部付近では、流速が遅く圧力も低い。そのため、酸化触媒部１１にハニカム構造の担体を用いた場合は、排気ガスの流速がハニカムの各セル毎に異なるため、フィルタ部１２における排気ガス圧力が不均一となってしまう。これにより、フィルタ部１２を構成する不織布が押されて、変形が発生してしまうことによりＰＭ捕集効率が下がってしまう可能性がある。

これに対して本願の実施形態では、酸化触媒部１１をスリット担体とし、周方向にガスが自由に流通できる構造とした。これにより、酸化触媒部１１における排気ガスの流速が均一化されるので、フィルタ部１２にかかる排気ガス圧力が均一化され、フィルタ部１２の変形を防止できる。さらにＰＭがフィルタ部１２の周方向に満遍なく捕集されることにより、ＰＭ捕集効率を向上することができる。

フィルタ部１２では、排気ガス中のＰＭが不織布状の積層構造により捕集される。捕集されたＰＭは、所定温度（例えば３００℃）以上において、酸化触媒部１１により生成されたＮＯ₂と反応して酸化反応を起こす。これによりＰＭが燃焼されて、Ｎ₂、ＣＯ₂、Ｈ₂Ｏとして排出される。また、排気ガス温度の上昇によりフィルタ部の温度がさらに上昇（例えば６００℃）した場合は、ＰＭ成分が自己着火して、ＣＯ₂やＨ₂Ｏとして排出される。なお、ＰＭの再生を促進させるために、フィルタ部１２に触媒を担持させてもよい。

なお、この処理において発生するＮＯ₂をはじめとした窒素酸化物（ＮＯ_x）は、還元触媒部１３において、還元反応により、Ｎ₂及びＯ₂として排出される。特に、フィルタ部１２の温度が比較的低温である場合は、酸化触媒部１１において生成されたＮＯ₂は、ＰＭとの酸化反応により消費される。一方、フィルタ部１２が比較的高温である場合はＮＯ₂の消費量が少ないため、ＮＯ₂はフィルタ部１２においてすべて消費されずに排出される。そこで、還元触媒部１３において、通過するＮＯ₂を含むＮＯ_x成分を還元して、Ｎ₂及びＯ₂として排出する。

以上のような処理によって、排気ガス中の有害成分であるＮＯ、ＣＯ及びＰＭが、無害なＮ₂、Ｏ₂、ＣＯ₂等に浄化される。

このように構成された本発明の実施形態の排気浄化装置１０は、ディーゼルエンジンであるエンジン２０が排出するＮＯ、ＰＭを含む排気ガスを適切に浄化することができる。

また、フィルタ部１２は、不織布状の繊維を積層させて構成したので、フィルタ部１２の厚さを必要以上に拡大する必要がなく、排気浄化装置１０を排気ガス流れ方向に短縮することができる。これにより、排気浄化装置１０を小型化することができるので、スペース効率を向上することができ、排気系のレイアウトの自由度を高めることができる。

特に、フィルタ部１２を、不織布状の金属繊維により構成したことにより、ＰＭの捕集率を下げることなくフィルタ部１２の厚さを薄くすることができる。

また、酸化触媒部１１は、スリット担体を用いたので、排気ガスの圧力及び温度を排気管の断面方向に均等化することができる。これにより、フィルタ部１２においてＰＭの捕集効率を高めることができる。また、フィルタ部１２にかかる排気ガスの排圧が均一になることで、フィルタ部１２の変形を抑えることができる。

また、酸化触媒部１１、フィルタ部１２及び還元触媒部１３を密着して隣接させたので、酸化触媒部１１の反応熱によりフィルタ部１２及び還元触媒部１３の昇温が促進されることにより、ＰＭの再生効率を高めることができるとともに、ＮＯ_xの浄化効率を高めることができる。このときに酸化触媒部１１がスリット担体により温度が均等にされているのでフィルタ部１２の昇温も均等にすることができる。また、フィルタ部１２を、酸化触媒部１１及び還元触媒部１３によって狭持するので、部品を増加することなくフィルタ部１２を固定でき、フィルタ部１２の変形を防止することができると共に、製造コストを抑えることができる。

なお、本発明の排気浄化装置１０は、自動車に限定されるものではなく、ディーゼルエンジンを用いるさまざまな産業機械やボイラ等の排気ガスの浄化に用いることができる。

本発明の実施形態の排気浄化装置を中心とした説明図である。 本発明の実施形態の酸化触媒部の説明図である。 本発明の実施形態の還元触媒部の説明図である。

符号の説明

１０ 排気浄化装置
１１ 酸化触媒部
１２ フィルタ部（パティキュレートフィルタ）
１３ 還元触媒部
２０ エンジン
３０ 排気管
４０ 消音器

Claims (5)

1. ディーゼルエンジン（２０）の排気ガスを浄化する排気浄化装置において、
   排気ガス中の一酸化窒素を二酸化窒素に酸化する酸化触媒（１１）と、排気ガス中の窒素酸化物を窒素及び酸素に還元する還元触媒（１３）と、前記酸化触媒（１１）及び前記還元触媒（１３）に狭持されるパティキュレートフィルタ（１２）と、を備え、
   前記パティキュレートフィルタ（１２）は、不織布によって構成されていることを特徴とする排気浄化装置。
2. 請求項１に記載の排気浄化装置において、
   前記酸化触媒（１１）は、排気ガス流れ方向の上流側に設けられ、前記還元触媒（１３）は、排気ガス流れ方向の下流側に設けられることを特徴とする排気浄化装置。
3. 請求項２に記載の排気浄化装置において、
   前記酸化触媒（１１）は、排気ガスの流れ方向と垂直方向にガスが流通可能な孔（１１ａ）を備えた箔板（１１ｂ）を多重に巻回して形成されるハニカム構造であることを特徴とする排気浄化装置。
4. 請求項１から３のいずれか一つに記載の排気浄化装置において、
   前記酸化触媒（１１）、前記パティキュレートフィルタ（１２）及び還元触媒（１３）が密着して設けられ、前記酸化触媒（１１）の触媒反応熱によって前記パティキュレートフィルタ（１２）及び還元触媒（１３）を昇温させることを特徴とする排気浄化装置。
5. 請求項１から４のいずれか一つに記載の排気浄化装置において、
   前記酸化触媒（１１）及び前記還元触媒（１３）は、排気浄化装置（１０）の外筒（１０ａ）に固定され、前記パティキュレートフィルタ（１２）のガス流れ方向への移動を規制することを特徴とする排気浄化装置。

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