JP4001213B2 - ディーゼル排気微粒子浄化装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼルエンジンの排気中に含まれる微粒子をフィルタに補集して排気を浄化するディーゼルエンジンの排気微粒子浄化装置に関し、特には、補集した微粒子を燃焼除去してフィルタを再生する手段に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
フィルタを有するディーゼル排気微粒子浄化装置において、フィルタに補集された微粒子を燃焼除去し、フィルタを再生する手段の一つとして、フィルタに酸化触媒を担持しておき、定期的に排気中に軽油などの燃料を供給して、酸化触媒による燃料の酸化反応熱によって、補集された微粒子を燃焼除去する方法が知られている。
【０００３】
しかし、前記方法では低回転、低負荷運転時のように、排気温度が低い運転条件では、触媒が活性化していないため、補集した微粒子を燃焼除去することができない。
図６は前記のように排気温度が低く、触媒が活性化していない場合にも、補集した微粒子を燃焼除去できるよう工夫した、触媒を部分的に加熱する特願平６−１７６６８４号の出願において発明者らが提案したディーゼル排気微粒子浄化装置の全体のシステムを示すシステム図である。
【０００４】
これは、図６に示すように、排気流路４の途中に設けた触媒担持フィルタ５の上流側に、周辺の触媒を部分的に加熱する部分加熱ヒータ１を設けた構造のディーゼル排気微粒子浄化装置となっている。
図８、図９は特願平６−１７６６８４号の出願において用いられている部分加熱ヒータ１に関するもので、図８は正面図、図９は図８中のＢ−Ｂ断面図である。
【０００５】
ここで用いられている部分加熱ヒータ１は、低電力化のために、例えば図８、図９に示すようにメタルハニカム型の触媒担体の一部にメタル触媒担体を構成する平板と波板を、例えばろう付け等によって接合し、巻き重ねられた層間を短絡するようにした接合領域４１と、平板と波板を互いに絶縁を保持するようにして巻き、電流が渦巻き状に流れるようにした非接合領域４２とが設けられ、このうち接合領域４１では電流が短絡して流れるため電気抵抗が小さく、電気抵抗が大きい非接合領域において集中的に発熱を生じるように構成されており、その周囲の触媒を部分的に加熱し、活性化させる。
【０００６】
図７は図６中のディーゼルエンジン６についてエンジン回転数とトルクとの関係を示す特性図である。
図６に示す構成において、図７中のハッチング領域３１のように、排気温度が触媒活性化温度より低い運転条件で触媒担持フィルタ５の再生を行う場合、まず、部分加熱ヒータ１に電力を供給して触媒担持フィルタ５の一部を活性化する。そして、部分加熱ヒータ１の上流の排気流路４中に設けた燃料供給手段８から少量の燃料を噴射し、燃料の酸化反応熱により触媒担持フィルタ５全体を活性化し、その後、燃料供給量を増やして排気をさらに昇温し、触媒担持フィルタ５に堆積した微粒子を燃焼除去するようになっていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような特願平６−１７６６８４号に示した部分加熱ヒータ１では、メタルハニカム型の触媒担体の材質や形状によって、電気的特性が限られてしまうために、部分加熱ヒータ１を構成する上での制約が多く、触媒担持フィルタ５を効果的に加熱できない。このため、例えば発熱部近くのハニカムセル内では非常に高温になっているにもかかわらず、その他の部分では大量の排気ガスに熱を奪われるために触媒活性化温度にまで温度が上がらないといった状況が生じ、後段の触媒担持フィルタ５に堆積した微粒子を均一に燃焼させることができないだけでなく、排気ガス中に供給した燃料が未燃ガスのまま大気中に排出されてしまうといった問題があった。
【０００８】
そこで、本発明は前記問題点に鑑み、排気ガス温度が低く触媒が活性化していないディーゼルエンジンの運転条件においても、前段に配置した触媒コンバータを低電力で効果的に活性化できる加熱手段を備えたディーゼル排気微粒子浄化装置を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するために、請求項１及び請求項２の構成を採用する。請求項１によれば、環状に閉じた一定の幅のヒータ発熱層からなる複数個の帯状型ヒータを触媒コンバータの上流側端面に分散して配設し、これら帯状型ヒータの互いに隣り合う間隔が略等しくなるように配置された構成からなる部分加熱型ヒータを設けているので、部分加熱型ヒータが、排気ガス温度が低く、触媒が活性化していない運転条件でフィルタを再生する時に、電気的に発熱して、触媒コンバータを部分的に活性化させるので、触媒コンバータを低電力で効果的に活性化することができる。
【００１０】
さらに詳細に説明すると、排気ガス温度が低く触媒が活性化していない状態でフィルタ再生を行う場合、まず本発明の部分加熱ヒータに通電、加熱し、その後方の触媒コンバータを部分的に活性化する。ここで、燃料供給手段により軽油等の燃料を所定量供給すると、触媒コンバータの部分的に活性化した部分で燃料の触媒燃焼反応が生じる。そして、その反応熱により、隣り合う帯状型ヒータの空隙部分の後流にあたる触媒コンバータの部分、すなわち直接に部分加熱ヒータで活性化されない部分でも、活性化温度にまで昇温することができる。
【００１１】
そしてさらに燃料供給量を増してやれば、触媒コンバータ全体で燃焼反応を生ぜしめることができ、排気ガスを排気微粒子の燃焼温度まで昇温することができる。
以上の作用により、排気温度が低く、触媒が活性化していない状態でも、実用的な小さいヒータ電力でフィルタの再生を実現することができる。
【００１２】
また、請求項２によれば、微粒子を補集するフィルタにも酸化触媒を担持しているので、図２において活性化領域が、帯状型ヒータ発熱時の触媒活性化領域１１から、少量の燃料を供給した時の活性化領域１２に拡がるまでに、ごく少量の燃料が未燃のまま触媒コンバータをすり抜けて多孔質体からなるフィルターに一時的に吸着されるが、この燃料はフィルタに触媒を担持することにより、排気ガス温度が触媒の活性化温度に達した時点で酸化処理されることができ、燃料のすり抜け防止に有効である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１ないし図３は本発明の第１実施形態に関するもので、図１は触媒コンバータ２の排気ガス流の上流側の端面に配置された本発明の部分加熱型ヒータの構成及び配置状況を示す正面図、図２は図１中のＡ−Ａ断面図、図３は排気ガス流の流れに沿う方向の部材の配置状況を示すディーゼル排気微粒子浄化装置のシステム構成図である。
【００１４】
以下本発明の第１実施形態を図１ないし図３を参照して説明する。
図３において、ディーゼルエンジンの排気流路４は、途中に大径部を設けてあって、該大径部内に排気ガスの流れに対し、上流側から帯状型ヒータ１ａ、１ｂ、触媒コンバータ２、触媒担持フィルタ３が排気流路４内に間隔をおいて配設してある。
【００１５】
前記触媒担持フィルタ３は、例えばコージェライト等の多孔質セラミックよりなり、これにγ−アルミナ等をコーティングした上、ＰｔまたはＰｄ−Ｒｈ等の酸化触媒を担持させてある。触媒担持フィルタ３は、排気ガスの流れ方向に多数のセルを有し、これら各セルの、排気ガス導入側または導出側のいずれかの端部を千鳥格子状に閉鎖した構造となしてある。そして、導入された排気ガスが多孔質の隔壁を通して各セル間を流通する間にカーボン粒子等の微粒子を補集するものである。
【００１６】
前記触媒コンバータ２は、例えばステンレス鋼等の耐熱性金属箔よりなる帯状の平板と波板を積層し、渦巻状に巻き付けてなるハニカム構造のメタル担体に、γ−アルミナ等をコーティングした後、ＰｔまたはＰｄ−Ｒｈ等の酸化触媒を担持させて構成される。
触媒コンバータ２の上流側端部には、通電により発熱して触媒を部分的に活性化するための部分加熱ヒータである帯状型ヒータ１ａ、１ｂを有している。ここで、部分加熱ヒータである帯状型ヒータ１ａ、１ｂは触媒コンバータ２の上流側端面の全面に設ける必要は無く、部分的に分散して設置することで、少量の電力でその周辺の触媒を部分的に活性化して早期に燃料の酸化反応を行うことができる。
【００１７】
ここで、部分加熱ヒータである帯状型ヒータ１ａ、１ｂへの電気配線は、図２に示すように正極側を各帯状型ヒータ１ａ、１ｂの金属製パイプで形成された内筒側に、負極側を各帯状型ヒータ１ａ、１ｂの金属製パイプで形成された外筒側にして溶接等で接続体１００ａ、２００ａ、２００ｂにより接続されている。
図１において、１ａ、１ｂは内部空隙ｄを有する帯状型ヒータであり、排気ガス温度が低く触媒が活性化していない状態でフィルタ３を再生する場合に、分散して配置された帯状型ヒータ１ａ、１ｂを電気的に発熱させることにより、触媒コンバータ２を部分的に活性化させる。
【００１８】
帯状型ヒータ１ａ、１ｂに通電すると、図２に示すようにヒータ発熱層内を通過する排気ガス１０ａが設定温度まで昇温され、ヒータ後方の触媒コンバータセルを加熱し、図２中の１１の領域を部分的に活性化させる。同時に加熱された排気ガス１０ａからの伝熱により伝熱領域１２はある程度昇温されており、この排気ガス中に軽油等の燃料を、図３中の燃料供給装置８から少量供給すれば、活性化領域１１で燃焼した燃料の酸化反応熱により図２中の伝熱領域１２まで短時間で容易に活性化温度に昇温される。
【００１９】
その後、図３中の燃料供給手段８からの燃料供給量を次第に増やしていくと、活性化領域は触媒コンバータ２の全体に拡がる。
ここで、図１に示す帯状型ヒータの発熱層の幅Ｗは、燃料を確実に燃焼させるのに必要な最小限の活性化領域１１を確保できる最小の幅に決められており、また部分加熱ヒータである帯状型ヒータ１ａ、１ｂ間の間隔ａ、ｂ、及び内部空隙ｄは活性化領域１１で燃料が燃焼した時に、伝熱領域１２である全断面を活性化できる最大間隔として配置されている。
【００２０】
中空型ヒータ１ａ、１ｂの内部空隙ｄは、使用される条件における排気ガス流速や供給燃料の燃焼反応熱量、触媒コンバータ内での径方向の伝熱状況等と複雑な関係がある。発明者らはこれらを考慮しながら、最終的には実験によりｄの値を求めた。
このような構成により、最小のヒータ供給電力で効率良く触媒コンバータ２を活性化することができる。
【００２１】
全体が活性化した触媒コンバータ２に図３中の燃料供給手段８から更に燃料を供給すると、排気ガスの全量が微粒子の燃焼温度以上に昇温され、フィルタ３に堆積した微粒子を燃焼除去する。
また、複数個の帯状型のヒータからなる構成としたことにより、各ヒータ１ａ、１ｂの電気的特性を個別に設定できたり、ヒータ形状も任意に決められるという利点がある。
【００２２】
図４、図５は各々その例の部分加熱型ヒータとなる帯状型ヒータ１ａ、１ｂの構成及び配置状況を変えた第２及び第３の実施形態の正面図である。
第２実施形態を示す図４では帯状型ヒータ１ａ、１ｂを各々環状に配置しており、構造が簡単であり、帯状型ヒータ１ａ、１ｂで個別に電気的特性や形状を設定することも容易である。
【００２３】
ここで、部分加熱ヒータである帯状型ヒータ１ａ、１ｂへの電気配線は、正極側を各帯状型ヒータ１ａ、１ｂの金属製パイプで形成された内筒側に、負極側を各帯状型ヒータ１ａ、１ｂの金属製パイプで形成された外筒側にして溶接等で図示しない接続体により接続されている。
第３実施形態を示す図５は最外周に薄いヒータ層１ｃを設けた例であり、触媒コンバータ２の最外周のセルを加熱することで、触媒コンバータ２の外周の昇温特性を向上させることができる。
【００２４】
ここで、部分加熱ヒータである帯状型ヒータ１ａ、１ｂへの電気配線は、正極側を各帯状型ヒータ１ａ、１ｂ、１ｃの金属製パイプで形成された内筒側に、負極側を各帯状型ヒータ１ａ、１ｂ、１ｃの金属製パイプで形成された外筒側にして溶接等で図示しない接続体により接続されている。
以上説明したように、本発明によれば、排気ガス温度が低く、触媒コンバータ２が活性化していない運転条件においても、フィルタ３を良好に再生することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に関するもので、触媒コンバータ２の排気ガス流の上流側の端面に配置された本発明の部分加熱型ヒータの構成及び配置状況を示す正面図である。
【図２】本発明の第１実施形態に関するもので、図１中のＡ−Ａ断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態に関するもので、排気ガス流の流れに沿う方向の部材の配置状況を示すディーゼル排気微粒子浄化装置のシステム構成図である。
【図４】部分加熱型ヒータとなる帯状型ヒータ１ａ、１ｂの構成及び配置状況を変えた第２の実施形態の正面図である。
【図５】部分加熱型ヒータとなる帯状型ヒータ１ａ、１ｂの構成及び配置状況を変えた第３の実施形態の正面図である。
【図６】触媒を部分的に加熱する特願平６−１７６６８４号の出願において発明者らが提案したディーゼル排気微粒子浄化装置の全体のシステムを示すシステム図である。
【図７】図６中のディーゼルエンジン６についてエンジン回転数とトルクとの関係を示す特性図である。
【図８】特願平６−１７６６８４号の出願において用いられている部分加熱ヒータ１に関する正面図である。
【図９】特願平６−１７６６８４号の出願において用いられている部分加熱ヒータ１に関する図８中のＢ−Ｂ断面図である。
【符号の説明】
１ａ、１ｂ、１ｃ 帯状型ヒータ
２ 触媒コンバータ
３ フィルタ
４ 排気流路
６ ディーゼルエンジン
８ 燃料供給手段

Claims (2)

1. ディーゼルエンジンの排気流路の途中に設けられ、排気中に含まれる微粒子を補集する多孔質体からなるフィルタと、該フィルタの上流側に設けられた触媒コンバータと、該触媒コンバータより上流側の排気流路中に未燃の燃料を供給する燃料供給手段からなる、ディーゼル排気微粒子浄化装置において、環状に閉じた一定の幅のヒータ発熱層からなる複数個の帯状型ヒータを前記触媒コンバータの上流側端面に分散して配設し、これら帯状型ヒータの互いに隣り合う間隔が略等しくなるように配置された構成からなる部分加熱型ヒータを設けたことを特徴とするディーゼル排気微粒子浄化装置。
2. 前記微粒子を補集するフィルタにも酸化触媒を担持したことを特徴とする請求項１に記載のディーゼル排気微粒子浄化装置。

Images