JP3809574B2 - エンジンの排ガス浄化装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、エンジン用の排ガス浄化装置、なかでも炭素を主な成分とする浮遊粒子状物質（以下、単に浮遊粒子という）を除去するための排ガス浄化装置に関する。なおこの発明で言うエンジンとは、主としてディーゼルエンジンや複式燃料ディーゼルエンジン等の圧縮点火型の内燃機関を意味するが、浮遊粒子を排出するエンジンの全てを含むこととする。
【０００２】
【従来の技術】
この種の浄化装置として、浮遊粒子を炭化珪素製の不織布フィルターで捕捉し、モーターで加熱燃焼させ、フィルターを再生する形態の装置が提案されている（日刊工業新聞社発行、トリガー２０００年５月号 １０２頁）。この浄化装置は、２個のフィルターを備えており、一方のフィルターで浮遊粒子を捕捉する間に、他方のフィルターをヒーターで加熱して再生処理する。
【０００３】
特開平１０−１５９５５２号公報には、前段の酸化触媒と後段のセラミック製フィルターを組み合わせた浄化装置が開示してある。この浄化装置は、酸化触媒によって（２ＮＯ＋Ｏ₂ →２ＮＯ₂ ）で示す反応を生じさせ、フィルター内部では（Ｃ＋２ＮＯ₂ →ＣＯ₂ ＋２ＮＯ）と（Ｃ＋Ｏ₂ →ＣＯ₂ ）で示す反応を生じさせることにより、浮遊粒子を燃焼しフィルターを自己再生できる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記の自己再生方式の排ガス浄化装置は、ヒーターを省くことができるうえ、酸化触媒と１個のフィルターだけで浮遊粒子の除去を行えるので、浄化装置を小形化し、低コスト化できる。問題は、浮遊粒子（炭素）をニ酸化窒素（２ＮＯ₂ ）、および排ガス中の酸素（Ｏ₂ ）と反応させて燃焼させるので、低負荷運転時やアイドリング運転時等の排ガス温度が低い状態において、燃焼反応が低下する。その結果、交通渋滞等において、フィルターの再生を十分に行えず、エンジンに余分な負荷が掛かる。
【０００５】
この発明の目的は、低負荷運転時やアイドリング運転時にも、外部加熱を必要とせずにフィルター内部の温度を活性温度（５００℃以上）に維持できるようにし、以て浮遊粒子の燃焼を促進し、フィルターの再生を確実化することにある。この発明の他の目的は、既存のトラックやバス等の車輌にも容易に、しかも低コストで付加装備できる排ガス浄化装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明の排ガスの浄化装置は、２個の蓄熱ユニット３・３を含む蓄熱部１と、浄化ユニット４を含む浄化部２を備えている。蓄熱部１は、両蓄熱ユニット３・３の入口通路７Ｒ・７Ｌのそれぞれが、第１切換弁１０を介して排気通路６に接続される。浄化部２は、浄化ユニット４と、同ユニット４の入口通路２１および出口通路２２を有する。両蓄熱ユニット３・３の出口通路８Ｒ・８Ｌと、浄化ユニット４の入口通路２１および出口通路２２とは、第２切換弁２３を介して接続する。第１切換弁１０は、両蓄熱ユニット３・３の入口通路７Ｒ・７Ｌを、排気通路６の上流側通路６ａと下流側面通路６ｂに対して択一的に接続できるよう構成する。第２切換弁２３は、上流側通路６ａに接続される側の蓄熱ユニット３の出口通路８Ｌまたは８Ｒを、浄化ユニット４の入口通路２１に接続し、下流側通路６ｂに接続される側の蓄熱ユニット３の出口通路８Ｒまたは８Ｌを浄化ユニット４の出口通路２２に接続できるように構成する。以て、上流側通路６ａから流入する排ガスを、両蓄熱ユニット３・３に交互に送給しながら蓄熱を行い、上流側通路６ａと連通する蓄熱ユニット３を通過した排ガスを浄化ユニット４へ送給することを特徴とする。
【０００７】
浄化ユニット４は耐熱性を有するフィルター３１を含んで構成し、フィルター３１より上流側の通路内に酸化触媒３０を設ける。
【０００８】
浄化ユニット４は、同一容器内に配置した酸化触媒３０とフィルター３１とで構成することができる。
【０００９】
酸化触媒３０は両蓄熱ユニット３・３内に設けることができる。
【００１０】
蓄熱ユニット３は、触媒コンバータで構成できる。
【００１１】
第１・第２の両切換弁１０・２３はアクチュエータ１８・２８で同時に切り換え操作する。
【００１２】
第１切換弁１０を切り換えて所定時間が経過した後、第２切換弁２３を切り換える。
【００１３】
上流側排気通路６ａの排ガス温度が所定値に達した状態を基準にして、第１・第２の両切換弁１０・２３の切換サイクル時間を大小に切り換える。
【００１４】
【発明の作用効果】
エンジン５の排ガスは、２個の蓄熱ユニット３・３に一定時間おきに交互に送給され、蓄熱ユニット３・３を通過する間に熱交換されてそこに蓄熱される。また、蓄熱ユニット３を通過した浄化前の排ガス（以下、単に未処理ガスと言う）は、浄化ユニット４へ送られて、そこで浄化処理を受ける。このように、蓄熱ユニット３・３に排ガスを交互に送給すると、通常運転時の排ガスの熱エネルギーを各蓄熱ユニット３・３に貯めることができる。従って、通常運転状態から低負荷運転状態へ移行しても、蓄熱ユニット３・３の内部温度は徐々に低下するものの、温度降下は緩やかでしかなく、低温の未処理ガスを加熱して送給できる。
【００１５】
つまり、浄化ユニット４へは低負荷運転時にも高温の未処理ガスが送給されるので、浄化ユニット４の内部温度の低下傾向を緩やかなものにでき、内部温度が活性温度以下になるまでの時間を遅らせることができる。従って、この発明の排ガス浄化装置によれば、低負荷運転時にも、浄化ユニット４における浮遊粒子の燃焼を確実に行って、浮遊粒子によるフィルター３１の目詰まりを解消し、フィルター３１の自己再生機能を維持し続けることができる。これに伴い、エンジンに過剰な背圧が作用するのを防止して、その分だけエネルギー損失を減らし、省エネルギーに寄与できる。
【００１６】
フィルター３１より上流側の通路内に酸化触媒３０を設けると、排ガス中の窒素ガスが（２ＮＯ＋Ｏ₂ →２ＮＯ₂ ）で示す反応によって酸化される。この二酸化窒素ガスと排ガスに含まれる酸素は、フィルター３１に捕捉された浮遊粒子と反応して、その主成分である炭素を燃焼させて無害化でき、同時にフィルター３１を自己再生できるので、ヒーター等の加熱手段を付加する必要がなく、その分だけ排ガス浄化装置の構造を簡素化し、低コスト化できる。
【００１７】
浄化ユニット４を、同一容器内に配置した酸化触媒３０とフィルター３１とで構成すると、浄化ユニット４の取り付けやメンテナンスを容易に行える。
【００１８】
酸化触媒３０を両蓄熱ユニット３・３内に設けると、蓄熱と排ガスの酸化処理を同時に行えるので、別途酸化触媒を設ける必要が無く、その分だけ排ガス浄化装置の構造を簡素化し低コスト化できる。
【００１９】
触媒コンバータで蓄熱ユニット３を構成すると、蓄熱効率は若干低下するものの、蓄熱時に未処理ガスの浄化処理を併せて行えるので、さらに確実な排ガスの浄化を行える。
【００２０】
第１・第２の両切換弁１０・２３をアクチュエータ１８・２８で同時に切り換え操作すると、通路切り換え時の両切換弁１０・２３の応答遅れに伴う未処理ガスの漏洩や、浄化ユニット４における排ガスの逆流を確実に防止できる。
【００２１】
第１切換弁１０を切り換えて所定時間が経過した後、第２切換弁２３を切り換えるのは、フィルター３１に付着した燃え残りの浮遊粒子を燃焼させるためである。第１切換弁１０を切り換えると、切り換わった側の通路内を排ガスが逆流し、逆流ガスの圧力波動によって、フィルター３１の上流側面壁に付着していた燃え残りの浮遊粒子が、フィルター面壁からはがされる。第２切換弁２３を第１切換弁１０に追随して切り換えることにより、浄化ユニット４内の排ガスは、先の逆流ガスの流れ方向とは逆向きに流れるので、逆流ガスによってフィルター面壁からはがされた浮遊粒子は、再びフィルター３１に捕捉される。つまり浮遊粒子をフィルター面壁から分離させて排ガス中に分散させたのち、再度捕捉する。これにより、再捕捉された浮遊粒子はフィルター面壁に均一に分散する。従って、再捕捉された浮遊粒子の酸化反応を効果的に行って、浮遊粒子が燃え残るのを防止できる。
【００２２】
第１・第２の両切換弁１０・２３の切換サイクル時間は、上流側排気通路６ａの排ガス温度が所定値に達した状態を基準にして大小に切り換える。詳しくは、排ガスの温度が高い場合は、切換サイクル時間を長くして、両切換弁１０・２３を切り換え操作するアクチュエータの動力消費を抑える。排ガスの温度が低い場合は、切換サイクル時間を短くして、酸化触媒３０の温度が活性温度以下に下がるのを抑止する。
【００２３】
【実施例】
図１ないし図５はこの発明に係る排ガス浄化装置の実施例を示す。図２において、排ガス浄化装置は、２個の蓄熱ユニット３・３を含む蓄熱部１と、浄化ユニット４を含む浄化部２とで構成する。符号５はエンジン、６はエンジン５のエキゾーストマニホールドから導出される排気通路である。
【００２４】
蓄熱部１は、左右一対の蓄熱ユニット３・３と、同ユニット３・３の入口通路７Ｒ・７Ｌと、出口通路８Ｒ・８Ｌとからなり、両入口通路７Ｒ・７Ｌのそれぞれが第１切換弁１０を介して排気通路６に接続してある。蓄熱ユニット３は、セラミックスをハニカム状に成形した蓄熱エレメント１１と、蓄熱エレメント１１を収容するキャニスター１２とからなり、排ガスがハニカム空間を通過する際に熱交換を行って、ハニカム空間を区分する区画壁に熱エネルギーを貯積できる。
【００２５】
図３において、第１切換弁１０は蝶弁１３を切り換え要素とする四方切換弁からなり、その入口１４をエンジン５側の排気通路、つまり上流側通路６ａに接続し、出口１５をテールパイプ側の排気通路、つまり下流側通路６ｂに接続する。残る左右の分岐口１６・１７のそれぞれに蓄熱ユニット３の入口通路７Ｒ・７Ｌが接続される。蝶弁１３は図示していないエアーシリンダーやソレノイド等のアクチュエータで切り換え操作でき、図１に示す状態と、図２に示す状態とに蝶弁１３を切り換えることにより、左右の蓄熱ユニット３・３に交互に排ガスを送給できる。例えば図２に示すように、入口通路７Ｌを介して左方の蓄熱ユニット３に排ガスが送給されるとき、右方の蓄熱ユニット３の入口通路７Ｒは下流側通路６ｂに接続される。
【００２６】
浄化部２は、浄化ユニット４と、その入口通路２１および出口通路２２とからなり、これら両通路２１・２２を蓄熱ユニット３・３の左右の出口通路８Ｒ・８Ｌに対して第２切換弁２３を介して接続する。第２切換弁２３は第１切換弁１０と同じ蝶弁１３を有する四方切換弁からなり、その入口２４に浄化ユニット４の入口通路２１を接続し、出口２５に浄化ユニット４の出口通路２２を接続する。左右の分岐口２６・２７には、蓄熱ユニット３の出口通路８Ｒ・８Ｌを接続する。第２切換弁２３の蝶弁１３は、図示していないエアーシリンダーやソレノイド等のアクチュエータで切り換え操作でき、図１に示す状態と、図２に示す状態とに蝶番１３を切り換えることにより、上流側通路６ａと連通する蓄熱ユニット３を通り抜けた排ガスが、入口通路２１を介して浄化ユニット４へ送給されるようになっている。
【００２７】
浄化ユニット４は、前段の酸化触媒３０と、後段の高耐熱性を有するフィルター３１と、これらを収容するキャニスター３２とからなる。酸化触媒３０は、ハニカム状のモノリスに触媒金属を担時させ、あるいはセラミックス等の粒状体に触媒金属を担時させて円柱状に成形され、その外周面が金属繊維マットで包被してある。未処理ガスは酸化触媒３０を通過する際に（２ＮＯ＋Ｏ₂ →２ＮＯ₂ ）で示す酸化反応を受ける。
【００２８】
フィルター３１は、ウォールフロー型のセラミック多孔体からなり、排ガスは通すが、排ガスに含まれる浮遊粒子（粒径１０μｍ以上）は捕捉する。この浮遊粒子は、フィルター３１の温度が４５０℃以上に加熱されるのに伴って、燃焼され、無害化される。具体的には、（Ｃ＋２ＮＯ₂ →ＣＯ₂ ＋２ＮＯ）で示す炭素と窒素酸化物とが反応する燃焼形態と、（Ｃ＋Ｏ₂ →ＣＯ₂ ）で示す炭素と酸素とが反応する燃焼形態とを経て、浮遊粒子が無害化される。
【００２９】
浮遊粒子は、フィルター３１の内部温度が５００℃未満になると燃焼しにくくなる。とくに、アイドリング時等の低負荷運転状態が長引くと、排気ガスの熱エネルギー量が、フィルター３１の温度維持に必要なエネルギー量を下回ってしまうので、フィルター３１の内部温度は徐々に低下してしまう。こうした温度低下を抑止し、長時間にわたってフィルター内部を活性温度（４５０℃以上）状態に維持するために、浄化部２の前段に蓄熱部１を設けている。
【００３０】
主として、高回転高トルク運転状態、あるいは低回転高トルク運転状態において、上流側排ガス通路６ａにおける排ガス温度が２５０℃以上になったら、第１・第２の切換弁１０・２３を６０秒おきに切り換えて、排ガスを左右の蓄熱ユニット３に交互に送給し、蓄熱エレメント１１に熱を貯める。この状態では、排ガス自体の温度が高いので、第１・第２の切換弁１０・２３の切換サイクル時間を長くでき、その分だけアクチュエータの動力消費を抑止できる。排ガス温度が７５０℃を越えると、蓄熱ユニット３や酸化触媒３０が破損するので、図５に示すように、第１切換弁１０をニュートラルに切り換えて、排ガスが浄化装置へ供給されるのを防止する。
【００３１】
主として、高回転低トルク運転状態、あるいは低回転低トルク運転状態などの低負荷運転状態へ移行すると、排ガス温度が下がる。しかし、排ガスは蓄熱エレメント１１を通過する間に蓄熱エレメント１１から放出される熱を受けて加熱される。この加熱された排ガスを浄化ユニット４へ送給することにより、フィルター３１の内部温度の低下傾向を緩やかなものとすることができ、従って、フィルター内部を長時間にわたって活性温度に維持できる。浄化ユニット４で浄化処理された排ガスは、その出口通路２２と第２切換弁２３を経て、下流側通路６ｂと連通する蓄熱ユニット３へ送給されて、下流側通路６ｂから大気中へ排出される。なお、排ガス温度が２５０℃未満になったら、第１切換弁１０および第２切換弁２３を６０秒から３０秒おきに切り換えて、両弁の切換サイクル時間を小さくし、保温作用を促進して酸化触媒３０の温度低下を防ぐ。
【００３２】
第１切換弁１０および第２切換弁２３は基本的に同時に切り換えるが、必要に応じて、その切換タイミングをずらすことができる。第１切換弁１０を切り換えると、切り換わった側の通路内を排ガスが逆流するが、この逆流ガスの圧力波動がフィルター３１に達した時点で、第２切換弁２３を第１切換弁１０に追随して切り換えるのである。この場合には、フィルター３１の上流側面壁に付着していた燃え残りの浮遊粒子が、逆流ガスの圧力波動によって一瞬面壁からはがされる。しかし、第２切換弁２３を切り換えることによって、再びフィルター３１に捕捉される。このときの浮遊粒子は一度排ガス中に分散するので、再度捕捉されたときには均一に分散する。従って、再捕捉された浮遊粒子の酸化反応を効果的に行って、浮遊粒子が燃え残るのを防止できる。
【００３３】
上記の実施例以外に、酸化触媒３０はフィルター３１より上流側の通路内に設けることができる。例えば、両蓄熱ユニット３・３を利用してその内部に酸化触媒３０を設けることができ、この場合には、浄化ユニット４をフィルター３１のみで構成できる。蓄熱ユニット３は触媒コンバータで構成することができる。第１・第２の切換弁１０・２３は四方切換弁で構成する必要はなく、他の弁構造を採ることができる。フィルター３１は、ウォールフロー型のセラミック多孔体以外に、金属多孔体製のフィルターや、パンチングメタル製のパイプにセラミック繊維を巻き付けたセラミックファイバー型のフィルター等を用いることができ、要は耐熱性を有するフィルターであれば、その形成素材や構造は問わない。
【図面の簡単な説明】
【図１】排ガス浄化装置の概念図である。
【図２】切換弁を切り換えた状態の図１と同等の概念図である。
【図３】第１切換弁の断面図である。
【図４】第２切換弁の断面図である。
【図５】排ガス浄化を停止した状態の、排ガス浄化装置の概念図である。
【符号の説明】
１ 蓄熱部
２ 浄化部
３ 蓄熱ユニット
４ 浄化ユニット
７Ｒ・７Ｌ 入口通路
８Ｒ・８Ｌ 出口通路
１０ 第１切換弁
１１ 蓄熱エレメント
２１ 入口通路
２２ 出口通路
２３ 第２切換弁

Claims (8)

1. ２個の蓄熱ユニット３・３を含む蓄熱部１と、浄化ユニット４を含む浄化部２を備えており、
   蓄熱部１は、両蓄熱ユニット３・３の入口通路７Ｒ・７Ｌのそれぞれが、第１切換弁１０を介して排気通路６に接続されており、
   浄化部２は、浄化ユニット４と、同ユニット４の入口通路２１および出口通路２２を有し、
   両蓄熱ユニット３・３の出口通路８Ｒ・８Ｌと、浄化ユニット４の入口通路２１および出口通路２２とが、第２切換弁２３を介して接続されており、
   第１切換弁１０は、両蓄熱ユニット３・３の入口通路７Ｒ・７Ｌを、排気通路６の上流側通路６ａと下流側面通路６ｂに対して択一的に接続できるよう構成されており、
   第２切換弁２３は、上流側通路６ａに接続される側の蓄熱ユニット３の出口通路８Ｌまたは８Ｒを、浄化ユニット４の入口通路２１に接続し、下流側通路６ｂに接続される側の蓄熱ユニット３の出口通路８Ｒまたは８Ｌを浄化ユニット４の出口通路２２に接続できるように構成してあり、
   上流側通路６ａから流入する排ガスを、両蓄熱ユニット３・３に交互に送給しながら蓄熱を行い、上流側通路６ａと連通する蓄熱ユニット３を通過した排ガスを浄化ユニット４へ送給することを特徴とするエンジンの排ガス浄化装置。
2. 浄化ユニット４が耐熱性を有するフィルター３１を含んで構成されており、フィルター３１より上流側の通路内に酸化触媒３０が設けてある請求項１記載のエンジンの排ガス浄化装置。
3. 浄化ユニット４が、同一容器内に配置した酸化触媒３０とフィルター３１とで構成してある請求項１または２記載のエンジンの排ガス浄化装置。
4. 酸化触媒３０が両蓄熱ユニット３・３内に設けてある請求項１または２記載のエンジンの排ガス浄化装置。
5. 蓄熱ユニット３が、触媒コンバータで構成してある請求項１から４のいずれかひとつに記載のエンジンの排ガス浄化装置。
6. 第１・第２の両切換弁１０・２３をアクチュエータ１８・２８で同時に切り換え操作することを特徴とする請求項１から５のいずれかひとつに記載のエンジンの排ガス浄化装置。
7. 第１切換弁１０を切り換えて所定時間が経過した後、第２切換弁２３を切り換えることを特徴とする請求項１から５のいずれかひとつに記載のエンジンの排ガス浄化装置。
8. 上流側排気通路６ａの排ガス温度が所定値に達した状態を基準にして、第１・第２の両切換弁１０・２３の切換サイクル時間を大小に切り換えることを特徴とする請求項１から７のいずれかひとつに記載のエンジンの排ガス浄化装置。

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