JP2011001849A - ディーゼルエンジンの排出ガス処理装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ディーゼルエンジンの排出ガスに多量に含まれるＰＭ及びＮＯｘからなる環境汚染物質を有効に除去する。
【解決手段】ディーゼルエンジンからの排出ガスが流れる排気管１には排出ガスの流路における上流側にフィルタ１７を装着すると共にヒータ１８を有するフィルタユニット２が設けられ、下流側には反応チャンバ３０内に窒素酸化物還元触媒３１を充填した窒素酸化物処理部３が設けられており、フィルタユニット２には、複数のフィルタチャンバ１０が設けられており、それらのうちの１つのフィルタチャンバ１０ではフィルタ１７によりＰＭを捕捉し、還元剤を通過させ、この間に他のフィルタチャンバ１０ではヒータ１８を作動させることによりＰＭを燃焼させることにより再生が行われる。
【選択図】図１

Description

本発明は、建設機械等、ディーゼルエンジンを搭載した車両において、このディーゼルエンジンからの排出ガスから有害物質である粒子状物質や窒素酸化物を除去して、排出ガスをクリーンなものとするためのディーゼルエンジンの排出ガス処理装置に関するものである。
内燃機関としてのディーゼルエンジンは、ガソリンエンジンと比較して、熱効率が高く、しかも燃費その他の点で有利であるものの、窒素酸化物（ＮＯx）や、黒煙等の粒子状物質（ＰＭ）が多く発生することから、環境対策を講じることが必要となる。排出ガス中のＮＯｘを削減し、かつＰＭを除去して、排出ガスの浄化を行うシステムが種々提案されている。ＮＯｘについては、還元反応によりＮ２に変換することにより浄化した後に排出されることになる。一方、ＰＭを除去するためには、通気性を有するフィルタを用いてＰＭ成分を捕捉し、ガス成分を通過させることができる。
ＮＯｘをＮ２ガスに変換するには、還元剤の存在下で還元反応を起こさせれば良い。例えば、特許文献１に排出ガスの流路に窒素酸化物を処理するＮＯｘ処理機構が開示されている。この処理機構は、ＮＯｘからなる窒素酸化物と還元剤との間で還元反応を生じさせるように構成される。そして、還元反応をより効率的に起こさせるために、処理機構では排出ガスを窒素酸化物還元触媒の存在下で還元反応を行わせるようにしている。ここで、窒素酸化物還元触媒としては、特許文献１では、シリカを担体としたイリジウムまたはロジウム金属を用いている。また、還元剤としては、水素，一酸化炭素，炭化水素類，含酸素化合物が好ましいとしている。
排出ガス中に含まれるＰＭを除去する構成としたものは、例えば特許文献２に開示されている。この特許文献２では、排出ガス成分とＰＭ成分とを分離するために、通気性が良好で、耐熱性を有するセラミック繊維からフィルタを構成している。このフィルタは粒子状物質を含む排出ガスの流れの中に配置されてＰＭを捕捉する。フィルタによりＰＭが捕捉されると、フィルタに目詰まりが生じて、排出ガスの流れにおける圧力損失が大きくなり、排出ガスに十分な流量を確保できなくなってしまう。このために、通気性フィルタにヒータを装着しておき、排出ガス中のＰＭをフィルタで捕捉した後に加熱して燃焼させるようにしている。
特開２００４−７３９２１号公報 特許第４０２３５１４公報
引用文献１において、排出ガス中のＮＯｘをＮＯ２に変換して無害化するために、排出ガス中のＮＯｘ成分と還元反応を生じさせるための還元剤としては、水素，一酸化炭素，炭化水素類，含酸素化合物が好ましいとしている。ところが、特許文献２においては、フィルタが目詰まりしないようにするために、ＰＭを燃焼させることから、フィルタを通過する排出ガスに含まれる一酸化炭素や炭化水素類が酸化することになる。つまり、特許文献１におけるＮＯｘ処理機構では還元剤を必要とするものの、引用文献２では、排出ガスに含まれる還元剤である一酸化炭素や炭化水素類はＰＭ除去を行う際に消費されることになる。
以上のことから、引用文献１のＮＯｘ処理技術と引用文献２のＰＭ除去技術を組み合わせようとしても、排出ガスには還元剤となる一酸化炭素，炭化水素類が含まれているにも拘わらず、これらをＮＯｘの処理を行う際における還元剤を利用することができない。要するに、前述した特許文献１及び特許文献２の開示内容に基づいて、ディーゼルエンジンの排出ガスからＮＯｘを無害化すると共にＰＭを除去するためには、還元反応を生じさせるために必要な還元剤の供給経路を別途設けなければならないことになる。ＰＭを除去する前の段階で排出ガスをＮＯｘ処理機構に供給することも考えられるが、そうするとＰＭにより窒素酸化物還元触媒が汚損されてしまうことになり、触媒としての機能が早期に喪失するという問題点がある。
以上のことから、特許文献１のＮＯｘ処理機構と特許文献２のＰＭ除去機構とを単に組み合わせただけでは、ディーゼルエンジンの排出ガスを総合的に浄化するというシステムを構築することはできない。
本発明は以上の点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、ディーゼルエンジンの排出ガスに多量に含まれるＰＭ及びＮＯｘからなる環境汚染物質を有効に除去できるようにすることにある。
前述した目的を達成するために、本発明は、ディーゼルエンジンの排出ガスが導入されて、この排出ガス中に含まれる粒子状物質を除去し、かつ窒素酸化物を窒素に還元する処理を行うディーゼルエンジンの排出ガス処理装置であって、前記ディーゼルエンジンからの排出ガス流路には、上流側に排出ガス中の粒子状物質を捕捉し、還元性のガスを通過させる通気性フィルタを設けた複数のフィルタチャンバからなるフィルタユニットが配置され、下流側には前記排出ガスと前記還元性のガスからなる還元剤とを反応させる窒素酸化物還元触媒を設けた窒素酸化物処理部が配置され、前記フィルタユニットは、それぞれ相互に熱的に隔離された複数のフィルタチャンバから構成されて、これら各フィルタチャンバには前記フィルタに捕捉された粒子状物質を燃焼させるヒータが設けられ、前記排出ガスの流路は、いずれか１つのフィルタチャンバを介して前記窒素酸化物処理部に排出ガスを供給し、他のフィルタチャンバは排出ガスの流通を停止させるように制御される制御手段を備える構成としたことをその特徴とするものである。
フィルタチャンバ内に設けられるフィルタは、排出ガスに含まれる黒煙等の粒子状の固形物（ＰＭ）を捕捉するが、ガス成分はそのまま通過させる通気性を有するものを用いる。ディーゼルエンジンからの排出ガスには、還元性のガスである一酸化炭素や炭化水素が多量に含まれるが、還元性ガスはフィルタチャンバにおいては消費されずに流出することになり、これが後段における窒素酸化物処理部における還元剤として使用される。つまり、複数設けたフィルタチャンバのうち、排出ガスを通すように選択されたものにあっては、排出ガスがフィルタと接触したときに、酸化反応が生じないようにするために、フィルタは還元性ガスを酸化させず、気体を円滑に通過させ、しかも耐熱性の良好なセラミック繊維等から構成される。
ＰＭが除去され、還元剤を含む排出ガスは、後段で窒素酸化物処理部に導入される。窒素酸化物処理部には触媒が充填されている。触媒としては、各種の金属酸化物等を用いることができるものであり、具体的には、例えばイリジウムが好適であり、多孔質部材であるシリカを担体として用いることができる。この種の触媒の存在下で、排出ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）は、還元剤としての一酸化炭素や炭化水素等との間で還元反応が行われ、Ｎ２ガスとＨ２Ｏとに変換されることになる。その結果、ディーゼルエンジンからの排出ガスからＰＭやＮＯｘが除去乃至低減した清浄なものとなる。
ＰＭが捕捉されるフィルタを継続的に使用すると、やがては目詰まりを起こすことになる。フィルタを装着したフィルタチャンバは複数設けられている。従って、いずれか１つのフィルタチャンバにより排出ガスからのＰＭ除去が行われている間に、他のフィルタチャンバ内のフィルタからＰＭ成分を除くようにして再生する。このために、複数のフィルタチャンバはシャッタを介して排出ガス流路と接続されており、このシャッタによりいずれか１つのフィルタチャンバが排出ガス流路に接続されているときには、他のフィルタチャンバはこの排出ガス流路との接続を遮断するように切り換えられる。そして、各フィルタチャンバにはヒータが設けられており、フィルタに付着したＰＭ成分を燃焼させることによって、フィルタとしての機能を回復させることができる。しかも、現にＰＭの捕捉を実行しているフィルタチャンバと加熱状態にある他のフィルタチャンバとの間を熱的に隔離する必要がある。このために、フィルタチャンバの外壁を断熱材から構成するのが望ましい。
ヒータはＰＭ成分を燃焼させるためにフィルタチャンバに設けられるが、これを排出ガスの温度管理を行う機能を発揮させることもできる。後段に設けた窒素酸化物処理部において、窒素酸化物還元触媒の存在下でＮＯｘ成分を還元剤と反応させる際に、反応が促進される温度条件とするのが望ましい。イリジウム系の触媒を用いる際には、２４０℃〜３００℃程度で最も活性化される。従って、ＰＭ除去を行っているフィルタチャンバに設けたヒータにより排出ガスを窒素酸化物処理部で反応が促進される温度範囲となるように加熱するのが望ましい。
ディーゼルエンジンの排出ガスに多量に含まれるＰＭは、フィルタユニットを構成するいずれかのフィルタチャンバにおいて、還元性のガスを損なうことなく、フィルタに確実に捕捉させることができ、またフィルタを通過したＮＯｘを含む排出ガスは、還元剤と共に窒素酸化物処理部に供給されて、環境汚染物質を有効に除去することができ、しかもフィルタによるＰＭを除去している間に、他のフィルタチャンバでフィルタの再生を行うことができる。
本発明の実施の一形態を示すディーゼルエンジンの排出ガス処理装置のシステム構成図である。 フィルタチャンバの構成説明図である。
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。図１に本発明のシステム構成を示す。図中において、１はディーゼルエンジンからの排出ガスが流れる排気管であって、この排気管１には排出ガスの流路における上流側にはフィルタユニット２が装着されており、下流側には窒素酸化物処理部３が形成されている。
フィルタユニット２には複数のフィルタチャンバ１０が設けられており、各フィルタチャンバ１０は、図２に示したように、外筒１１と、この外筒１１の内部に設けた内筒１２とを有し、排気管１における排出ガスの流れの上流側の端部には流入側端板１３が設けられており、この流入側端板１３は、内筒１２より内側の部位が開口した流入口１４が形成されている。内筒１２は多孔板あるいはメッシュ板を円筒状とすることによって、流入したガスの流通を可能としている。一方、外筒１１の壁面は断熱機能を有するものから構成される。また、内筒１２の流出側の端部には閉塞端板１５が設けられており、内筒１２と外筒１１との間に円環状の流出口１６が形成されている。
エンジンからの排気は流入口１４からフィルタチャンバ１０に流入し、内筒１２の内側からこの多孔板あるいはメッシュ板からなる内筒１２に形成されている透孔を介して内筒１２と外筒１１との間の円環状の空間に流れることになる。この円環状の空間にフィルタ１７が充填されており、排出ガスはこのフィルタ１７と接触することになり、粒子状物質（ＰＭ）等がこのフィルタ１７により捕捉される。その結果、排出ガスからＰＭが分離して、ガス成分のみが流出口１６から流出することになる。
フィルタ１７に捕捉されたＰＭは黒煙等を含むものであって、完全燃焼することにより無害化される。従って、フィルタ１７により捕捉されているＰＭを燃焼させることによって、このフィルタ１７を再生することができる。ＰＭを燃焼するために、フィルタチャンバ１０の内筒１２の内部にはヒータ１８が装着されており、このヒータ１８は閉塞端板１５に固定されている。ヒータ１８を作動させることによって、ＰＭを完全燃焼させることができる。このときにはフィルタチャンバ１０の内部は高熱が発生することになり、このためにフィルタ１７は耐熱性の高いセラミック繊維から構成している。
フィルタユニット２は、図１では４本のフィルタチャンバ１０から構成されている。そして、これら４本のフィルタチャンバ１０における各流入口１４は回転式シャッタ２０により排気管１における流入側流路１ａに選択的に接続されるようになっている。回転式シャッタ２０には連通路２１が形成されており、この回転式シャッタ２０を回転駆動することによって、いずれか１つのフィルタチャンバ１０がこの連通路２１と連通することになって流入側流路１ａと連通する。このときには、他のフィルタチャンバ１０は流入側流路１ａからは遮断される。
回転式シャッタ２０はモータ２２により回転駆動されるものであり、このモータ２２及びヒータ１８は制御回路２３により作動制御が行われるようになっている。ここで、ディーゼルエンジンを搭載した車両としては、例えば油圧ショベル等の建設機械があり、建設機械はバッテリを備えており、このバッテリがモータ２２やヒータ１８の電源２４として用いられる。
排気管１におけるフィルタユニット２の下流側に設けた窒素酸化物処理部３は、反応チャンバ３０内に窒素酸化物還元触媒３１を充填したものから構成される。この窒素酸化物還元触媒３１は、例えばハニカム構造のように通気性の良好な吸蔵材として構成される。そして、この吸蔵材にＮＯｘと共に還元材を吸蔵させて、還元反応を生じさせることにより、Ｎ２ガスとＨ２Ｏに変換して流出側通路１ｂから排出されることになる。この窒素酸化物還元触媒３１としては、例えばアルカリ金属等を少量含むシリカを多孔質担体としたイリジウムまたはロジウム金属が好適に用いられる。
また、ＮＯｘと反応する還元剤としては、水素，一酸化炭素，炭化水素類，含酸素化合物が用いられる。ディーゼルエンジンからの排出ガスには、一酸化炭素や炭化水素といった還元剤としての作用を発揮するガスが多量に含まれている。従って、排出ガスそのものを還元剤として使用する。このためには、排出ガスは、窒素酸化物処理部３に導入されるまでの間に酸化反応を生じさせないように保持する。
既に説明したように、排気管１における窒素酸化物処理部３の上流側の部位に設けたフィルタユニット２を構成するフィルタチャンバ１０では、ＰＭをフィルタ１７で捕捉することになるが、捕捉したＰＭをフィルタチャンバ１０内でヒータ１８により燃焼させることにより再生される。ただし、ＰＭを燃焼させている間にフィルタチャンバ１０内に排出ガスを供給すると、一酸化炭素や炭化水素といった還元剤として機能するガスを酸化させてしまい、還元剤が失われてしまう。
フィルタユニット２を複数のフィルタチャンバ１０で構成し、排出ガスからＰＭを分離して除去する処理を行っている間はフィルタ１７の再生を行わず、つまりＰＭの燃焼を行わず、排気管１からの排出ガスの流路を形成しているときには、フィルタ１７の再生処理を行わず、排出ガスの流路を遮断した後にフィルタ１７に付着しているＰＭを燃焼させるようにしている。このために、フィルタユニット２を構成する各フィルタチャンバ１０は相互に熱的に隔離した状態に保持される。
以上のように構成することによって、ディーゼルエンジンからの排出ガスに起因する有害物質である粒子状物質（ＰＭ）を分離して除去し、かつＮＯｘを無害化することができる。ディーゼルエンジンからの排出ガスは排気管１内の流入側通路１ａから流出側通路１ｂに向けて流れることになるが、排出ガスがフィルタチャンバ１０に流入してＰＭを除去する際には、当該フィルタチャンバ１０についてはヒータ１８を作動させない。これによって、フィルタチャンバ１０内において、ＰＭがフィルタ１７に捕捉することにより除去され、しかもこのＰＭ除去を行っている際には、排出ガスに含まれる一酸化炭素や炭化水素類等からなる還元剤が酸化することはない。従って、フィルタチャンバ１０から流出した排出ガスは、ＮＯｘを含み、またそれと共に還元剤が酸化することはなく、ＰＭ成分だけが除かれる。
このように、１つのフィルタチャンバ１０でＰＭを捕捉するフィルタリング機能を発揮している間は、他のフィルタチャンバ１０では、ヒータ１８を作動させて、フィルタチャンバ１０の内部をＰＭが燃焼する温度にまで加熱することによって、ＰＭを完全燃焼させるようにして除去する。これによって、フィルタ１７が再生される。なお、フィルタチャンバ１０は４個設けられているが、他の３個のフィルタチャンバ１０は全て同時にＰＭの燃焼を行う必要はなく、回転式シャッタ２０が作動して９０度回転することにより次にフィルタリング機能を発揮することになるフィルタチャンバ１０は冷却するために、ヒータ１８の作動を停止するように制御することもできる。以上の動作は制御回路２３により制御される。そして、回転式シャッタ２０の回転駆動は所定時間毎に行うようにしても良いが、フィルタリングを行っているフィルタチャンバ１０における圧力損失を検出して、フィルタチャンバ１０内の圧力が所定値以上になったときに、回転式シャッタ２０を回転させるようにしても良い。
ＮＯｘや還元剤を含み、ＰＭが除去された排出ガスは窒素酸化物処理部３における反応チャンバ３０に流入する。この反応チャンバ３０には窒素酸化物還元触媒３１が設けられているので、排出ガスはこの窒素酸化物還元触媒３１と接触する。その結果、これらＮＯｘ及び一酸化炭素や炭化水素類等の還元剤が窒素酸化物還元触媒３１に吸蔵され、このように吸蔵されたＮＯｘと還元剤との間で還元反応を起こさせて、有害なＮＯｘがＮ２に変換されることになる。従って、ＰＭ成分が除去され、ＮＯｘ成分が無害化されて、清浄となった排出ガスが排気管１の流出側通路１ｂから流出することになり、環境が汚染されるのを防止乃至抑制される。
１ 排気管 １ａ 流入側通路
１ｂ 流出側通路 ２ フィルタユニット
３ 窒素酸化物処理部 １０ フィルタチャンバ
１１ 外筒 １２ 内筒
１６ 流出口 １７ フィルタ
１８ ヒータ ２０ 回転式シャッタ
２１ 連通路 ３０ 反応チャンバ
３１ 窒素酸化物還元触媒

Claims (4)

  1. ディーゼルエンジンの排出ガスが導入されて、この排出ガス中に含まれる粒子状物質を除去し、かつ窒素酸化物の窒素に還元する処理を行うディーゼルエンジンの排出ガス処理装置において、
    前記ディーゼルエンジンからの排出ガス流路には、上流側に排出ガス中の粒子状物質を捕捉し、還元性のガスを通過させる通気性フィルタを設けた複数のフィルタチャンバからなるフィルタユニットが配置され、下流側には前記排出ガスと前記還元性のガスからなる還元剤とを反応させる窒素酸化物還元触媒を設けた窒素酸化物処理部とが配置され、
    前記フィルタユニットは、それぞれ相互に熱的に隔離された複数のフィルタチャンバから構成されて、これら各フィルタチャンバには前記フィルタに捕捉された粒子状物質を燃焼させるヒータが設けられ、
    前記排出ガスの流路は、いずれか１つのフィルタチャンバを介して前記窒素酸化物処理部に排出ガスを供給し、他のフィルタチャンバは排出ガスの流通を停止させるように制御される制御手段を備える
    構成としたことを特徴とするディーゼルエンジンの排出ガス処理装置。
  2. 前記フィルタは、耐熱性の高いセラミック繊維から構成したことを特徴とする請求項１記載のディーゼルエンジンの排出ガス処理装置。
  3. 前記反応触媒はイリジウムであって、シリカを多孔質の担体としたものであることを特徴とする請求項１記載のディーゼルエンジンの排出ガス処理装置。
  4. 前記複数のフィルタチャンバはシャッタを介して前記排出ガス流路と接続されており、このシャッタによりいずれか１つのフィルタチャンバが前記排出ガス流路に接続されているときには、他のフィルタチャンバはこの排出ガス流路との接続を遮断するように切り換えることを特徴とする請求項１記載のディーゼルエンジンの排出ガス処理装置。
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