JP4473876B2 - パティキュレートフィルタを有する排ガス浄化システム及びパティキュレートフィルタの再生を改善させるその運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排ガスを浄化するためのパティキュレートフィルタを有する排ガス浄化システム及びパティキュレートフィルタの再生を改善させるこの排ガス浄化システムの運転方法に関する。本発明は特に、ディーゼルパティキュレートフィルタを収容するディーゼルエンジン用の排ガス浄化システムに関する。

ディーゼルエンジン自動車は、とりわけ、その燃料消費量の値が比較的低いために、自動車仕入れ品全体において極めて大きい市場占有率を得ている。このことは、特にディーゼル乗用車にも当てはまる。

しかしながら、ディーゼルエンジンについての主な問題は、相変わらずその排ガスの浄化にある。ガソリンエンジンから公知の汚染物質、すなわち一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）及び種々の窒素酸化物（ＮＯｘ）の他に、ディーゼルエンジンの排ガスは、煤粒子をも含有する。さらに、化学量論的に運転されるガソリンエンジンの排ガスは酸素含有率が約０．７容量％にすぎない一方で、ディーゼルエンジンは、希薄な空気／燃料混合物を用いて運転され、こうしてその排ガスは約５容量％〜約１５容量％という高い割合の酸素を含有する。また一般的に、ディーゼルエンジンの排ガスは、ガソリンエンジンの排ガスと比べて顕著に冷えている。

現代の乗用車用ディーゼルエンジンの排ガスは、市街地交通時、すなわち部分負荷で運転される際の温度が約８０℃〜約２５０℃にすぎない。排ガス温度は、全負荷時にのみ４００〜５００℃に達する。この数字は、エンジン排気口、及び今日広範に使用されるターボチャージャの下流それぞれにおける温度に関する。排ガス浄化システムの途中での熱放散及び熱伝導による熱損失のため、床下区域内に配置された触媒の上流における排ガス温度はその値を顕著に下回る。

このディーゼル排ガスの特質は、その浄化に際して相応の問題をもたらす。例えば、高い酸素含有率によって、化学量論的に運転されるガソリンエンジンと同様に一酸化炭素、炭化水素及び窒素酸化物を無害な化合物である水、二酸化炭素及び窒素に同時に変換することが不可能になる。しかしながら、ディーゼルエンジンからの窒素酸化物の排出は通常低いので、いわゆるディーゼル用酸化触媒を使用してディーゼル排ガスを浄化すればしばしば十分である、すなわち、ディーゼル用酸化触媒において一酸化炭素及び炭化水素が水及び二酸化炭素に変換される。この目的に好適な触媒は、例えばＤＥ３９４０７５８号Ａ１（米国特許番号５１５７００７号）、米国特許番号５９２８９８１号及びＥＰ０９２０９１３号Ａ１（米国特許番号６３４２４６５号Ｂ１）に記載されている。これらの触媒には、通常、白金で活性化された酸化アルミニウムと他の酸化物成分、例えば二酸化ケイ素、酸化チタン及び種々のゼオライトとの混合物が含まれる。

かかる酸化触媒を用いて浄化作用を可能な限り急速に開始させるために、酸化触媒は通常、エンジン排気口のすぐ下流に配置される。

ディーゼルエンジンの排ガスからの粒子を除去するために、いわゆるディーゼルパティキュレートフィルタが利用される。このフィルタは、厚層フィルタ、例えば金属フォーム、セラミックフォーム又はファイバ型フィルタ、若しくは面フィルタであってよい。いわゆるウォールフロー型フィルタは、面フィルタとしての使用に好適である。その多くが排ガスのための触媒作用における触媒活性コーティングの担体として使用されるセラミックハニカム体型フィルタも存在する。このハニカム体の流路の流入及び流出開口部は、濾過作用を達成するために交互に目封じされており、こうして排ガスはウォールフロー型フィルタを通る途中で多孔質の流路壁部を流通することを余儀なくされる。これが行われている際に、排ガス中に含まれる煤の大部分が流路壁部上に堆積する。

煤の堆積が増加すると、フィルタの背圧が連続的に上昇する。従って、フィルタを煤の焼却によってときおり再生しなければならない。しかしながらこの再生には、煤を着火燃焼させるために少なくとも６００℃のパティキュレートフィルタの温度が要求される。フィルタをいわゆる煤着火用コーティング（ｓｏｏｔ ｉｇｎｉｔｉｏｎ ｃｏａｔｉｎｇ）でコーティングすることによって、煤の着火温度を約１００℃〜約１５０℃だけ下げることができる。しかし、この場合でさえ、パティキュレートフィルタの場所における排ガス温度をその着火温度まで上昇させるために他のアクティブモディフィケーションが依然として必要である。

パティキュレートフィルタの温度を上昇させるための種々の概念が存在する。しかしながら、何れの場合においても、フィルタ再生にはエネルギー又は燃料消費量の増加が必要とされる。フィルタの温度は、内部のエンジンモディフィケーション、例えば燃料の再噴射、燃焼時点の遅延、多段燃焼によるか又は外部加熱によって上昇させてよい。

内部のエンジンモディフィケーションは、エンジンの排ガス温度の増加に導く。同時に、排ガス中の未燃炭化水素の含有率も上昇する。この炭化水素は、通常はパティキュレートフィルタの上流に備えられた酸化触媒上で燃焼される。この過程で放出された燃焼熱によって、排ガス温度が更に増加する。燃料を酸化触媒の上流の排ガスに直接噴射させ、そしてそれを触媒において燃焼させることもまた知られている。

これらのアクティブモディフィケーションの他に、フィルタ再生を改善させるパッシブモディフィケーションが知られている。この目的のために、フィルタに前記の煤着火温度を低減させるコーティングを備えてよい。

本発明の課題は、排ガス浄化システム及びパティキュレートフィルタのアクティブ再生を支援し、かつ再生のための燃料消費量を減らすことができるその運転方法を提供することである。

前記課題は、酸化触媒とその下流に備えられた触媒コートされたパティキュレートフィルタとを有する内燃機関の排ガス用の排ガス浄化システムによって解決される。本排ガス浄化システムは、酸化触媒がエンジンに近接してパティキュレートフィルタの上流に配置され、かつ炭化水素吸着材が酸化触媒とパティキュレートフィルタとの間に位置され、その際、パティキュレートフィルタが別の炭化水素燃焼用の酸化触媒でコートされていることを特徴とする。

現代のディーゼルエンジンは、１キロメートルにつき平均して０．２〜０．５グラムの炭化水素を排出する。本発明にかかる排ガス浄化システムは、これらの少なくとも一部の排出物を利用して、パティキュレートフィルタの再生の間の燃料消費量を減らす。この炭化水素の排出は、特に冷態起動の間に多い。この段階の間、酸化触媒は依然としてそのライトオフ温度に達しておらず、こうして炭化水素は酸化触媒をそのまま通過して、そして炭化水素吸着材によって吸着される。このことは、低負荷運転段階、かつそのため排ガス温度が低い間にも生ずる。この運転段階の間、酸化触媒は極めて冷えているので、排出された炭化水素を完全に変換できない。その代わり、この炭化水素は炭化水素吸着材によって吸着される。

高負荷運転段階の間においてのみ、排ガス温度は酸化触媒のライトオフ温度を超え、こうして次いで炭化水素はほぼ定量的に触媒において燃焼される。しかしながら、相応の排ガス浄化システムの設計は、炭化水素吸着材における温度が脱着温度を超えるのを防ぎ、こうして時期尚早の炭化水素の脱着は防止される。脱着温度は使用される吸着材料に依存し、一般的な材料、例えばゼオライト又は活性炭については１５０〜２４０℃に及ぶ。従って、時期尚早の脱着を防ぐため、炭化水素吸着材は、自動車の床下区域内においてパティキュレートフィルタのすぐ上流に配置される。テールパイプの途中の自然冷却及び熱放散によって、そこでの排ガス温度は、エンジン排気口における排ガス温度よりも顕著に低くなる。

所定の運転期間に続いて、パティキュレートフィルタを再生しなければならない。この再生は、一般的なエンジンモディフィケーションによって、エンジン排気口における排ガス温度を増加させることによって行う。それによって未燃炭化水素の排出も増加し、該炭化水素は酸化触媒において燃焼され、その際、付加的な熱エネルギーが放出される。結果として、炭化水素吸着材における排ガス温度も、炭化水素の脱着が始まる程度まで増加する。次いで、脱着した炭化水素はパティキュレートフィルタの酸化用コーティングにおいて燃焼され、それによってパティキュレートフィルタにおける排ガス温度が煤の着火温度まで増加する。

再生の開始は、特に、一方では煤負荷が確実な燃焼を生じさせ、かつ他方では吸蔵負荷が付加的な燃料の要求を減らすほど十分に高いときに引き起こすことが望ましい。

炭化水素吸着材の負荷状態は、車両使用者の運転プロファイルに依存する。しばしば高負荷で走行する車両では、炭化水素吸着材中に炭化水素が全く吸蔵されないか又は不十分な量で吸蔵されるにすぎない。この場合、再生を開始した際に炭化水素を吸着させることの想定される良い効果は当然低い。しかしながら、このことは、高い排ガス温度が少なくとも部分的に連続的な煤の燃焼を導く運転プロファイルにとっては不要である。

これに対して、大部分が低負荷で運転される車両では、大量の炭化水素が炭化水素吸着材中に吸蔵される。このことは、その炭化水素の排出を減らす。同時に、再生の開始の間のエンジンの燃料消費量が低くなる。それというのも、再生の間に吸蔵材料がかなりの量の炭化水素を脱着させるからである。

従って、低い排ガス温度でのエンジン運転段階の間に蓄積した炭化水素は、パティキュレートフィルタの再生を支援し、かつその再生のエネルギー収支を改善させるために有利に使用される。この再生に必要な燃料消費量を下げることができる。更に、炭化水素の吸着はまた、排出レベルを改善させる；その改善が強化されると、炭化水素吸着材の吸蔵容量は大きくなる。

本発明によれば、酸化触媒はエンジンに近接して設置される。エンジンに近接する設置によって、通常の運転モードにおいて慣用の排出限界が保証される。技術水準の任意の公知のディーゼル用酸化触媒を、本発明の目的のために利用してよい。具体的には、例えば白金で活性化された酸化アルミニウム又はケイ酸アルミニウムと１種以上のゼオライトとの混合物からなる触媒を使用してよい。しかしながら、ゼオライトを含有しないか又はゼオライトを極めて少量で含有するにすぎない触媒配合物も特に有利である。それというのも、酸化触媒をエンジンに近接して設置することによって、大部分のエンジン運転の間でのその設置位置における排ガス温度が炭化水素の脱着温度を超え、こうしてゼオライトの大部分が炭化水素吸着材としてそこで使用できなくなるからである。

炭化水素吸着材については、ディーゼルエンジンによって排出された未燃炭化水素を、室温から１５０〜２００℃までの温度の範囲内で吸着させ、かつその炭化水素をそれより高い温度で再び脱着させることができる任意の吸着材料が好適である。種々のゼオライト、例えばＺＳＭ５、ＤＡＹ（脱アルミニウム化されたＹ−ゼオライト）、モルデナイト、シリカライト、β−ゼオライト又はこれらの混合物が好適である。

本発明にかかる排ガス浄化システムには、ゼオライトを使用するのが好ましい。ゼオライトは、造粒成形体又は押出成形体の層の形で存在していてよいか又はハニカム体上でのコーティングの形で施与されていてよい。後者が特に有利である。

炭化水素吸着材は事実上、触媒活性成分によるいかなる活性をも有さず、その吸着材上に吸蔵された炭化水素がその吸着材上で早くも連続的に燃焼され、こうしてパティキュレートフィルタの再生が開始される際に利用できなくなるのを防ぐ。しかしながら、吸着材を白金で、吸着材容量に対して０．１ｇ／ｌの以下の低濃度で触媒活性させ、吸着材材料のコークス化を最小限に抑えることが有利であり得る。

使用される吸着材材料の量は、吸着材の吸蔵容量がディーゼルエンジンの炭化水素排出物の大部分を、２回のパティキュレートフィルタの再生過程の間で吸着できるように規定する。吸蔵容量は、１〜５０グラム、好ましくは２〜１０グラム、特に好ましくは約５グラムの炭化水素の範囲内であってよい。

パティキュレートフィルタの上流のゼオライト含有酸化触媒からなる先行技術の排ガス浄化システムに対して、本発明は決定的な利点を提供する。酸化触媒と炭化水素吸着材とを分離することによって、両方の構成成分を、排ガスシステム内のそれら両方に好適な位置に配置させることができる：酸化触媒をエンジンに近接して位置させることができ、こうしてその触媒をそのライトオフ温度まで急速に加熱させ、そして炭化水素吸着材をエンジンから離して排ガス温度の低い区域内に配置して、時期尚早の炭化水素の脱着をなくすことができる。

酸化触媒と炭化水素吸着材とを分離させることはまた、触媒の触媒活性中心における炭化水素の酸化による時期尚早の脱着と、それに並行する酸化触媒及び吸蔵材料の加熱とを防ぐ。更に、酸化機能と吸着材機能とを分離するならば、炭化水素に対して使用される吸蔵材料の量をフィルタ再生に必要な熱量に応じて決めることができ、その際、該熱量は使用されるフィルタの大きさだけでなく利用されるフィルタ材料にも依存する。

本発明にかかる排ガス浄化システムの運転方法は、以下の通りに実施する：
約２００℃未満のエンジン排気口における排ガス温度でのエンジン運転状態の間に、エンジンによって排出され、かつ酸化触媒によって変換されていない炭化水素を炭化水素吸着材において吸着させ（吸蔵段階）、そして排出された煤粒子をパティキュレートフィルタ上に堆積させる。２００℃を超えるエンジン排気口における排ガス温度でのエンジン運転状態の間に、排出された炭化水素を酸化触媒によって変換させる。

前記の２００℃という温度は一例であり、これに限定されるものではない。どちらかといえば、吸蔵段階から酸化触媒における炭化水素の酸化への移行は円滑であり、かつ酸化触媒及び炭化水素吸着材の所定の特性に依存する。

パティキュレートフィルタの再生は、必要な場合に開始するか又は規則的な間隔で開始する。その決定に使用される基準は、パティキュレートフィルタの背圧であってよい。このパティキュレートフィルタの背圧は、煤の負荷が上昇するに伴って増加する。再生は、予め決定された許容背圧の値を超えたときに開始する。

このことは、炭化水素の吸蔵位置での排ガス温度をエンジンモディフィケーションによって炭化水素の脱着温度を超えるまで上昇させ、そして脱着した炭化水素をパティキュレートフィルタの酸化用コーティングにおいて触媒燃焼させることによって行う。

吸蔵される炭化水素の質量を増加させるため、吸蔵段階の間、すなわち排ガス温度が低いときに、炭化水素を内燃機関のシリンダ内にポスト噴射させることによって排ガス中の炭化水素濃度を上昇させてよい。

図１は、排ガス浄化システム１の基礎構造を示す。参照番号２は内燃機関を示す。コンバータシェル６は、この排ガス浄化システム内でエンジン排気口のすぐ下流に配置されており、かつ酸化触媒７を有する。その下流に配置された炭化水素吸着材４を有する第二のコンバータシェル３及びパティキュレートフィルタ５は、車体下面区域内に位置されている。

酸化触媒７をエンジンに近接して配置することは、部分負荷時及び全負荷時の排ガス温度がその酸化触媒のライトオフ温度を超え、そしてエンジンによって排出された未燃炭化水素をほぼ完全に変換させることを確保する。しかしながら、冷態始動直後及びアイドリングの際は、排ガス温度は、通常、酸化触媒のライトオフ温度未満であり、こうして触媒は未燃炭化水素を変換させることができない。従って、それらは排ガスと一緒に炭化水素吸着材４に到達し、そこでほぼ完全に吸着される。

本明細書中で示される排ガスシステムの好ましい態様においては、炭化水素吸着材はパティキュレートフィルタが位置されているのと同一のコンバータシェル内に位置されている。内燃機関のエンジン制御装置は、パティキュレートフィルタの再生を排ガス温度を上昇させることによって開始させ、次いで炭化水素吸着材上に存在する炭化水素は排ガス温度が約２００℃の値を超えるとすぐにその吸着材の場所で脱着し、そしてパティキュレートフィルタに到達し、そこで酸化用コーティングによって燃焼され、燃焼熱が放出される。従って、パティキュレートフィルタ上に堆積した煤が着火され、そして燃焼される。

パティキュレートフィルタとしては、ウォールフロー型フィルタを使用するのが好ましい。この場合、その流入側上に酸化触媒をコートする。

排ガス浄化システム１の基礎構造を示す図である

符号の説明

１ 排ガス浄化システム、 ２ 内燃機関、 ３ 第二のコンバータシェル、 ４ 炭化水素吸着材、 ５ パティキュレートフィルタ、 ６ コンバータシェル、 ７ 酸化触媒

Claims (5)

1. 酸化触媒（７）とその下流のパティキュレートフィルタ（５）とを有する自動車の内燃機関（２）の排ガス用の排ガス浄化システムであって、
   コンバータシェル（６）が、この排ガス浄化システム内でエンジン排気口のすぐ下流に配置されており、かつ酸化触媒（７）を有し、かつ炭化水素吸着材（４）が、自動車の床下区域内においてパティキュレートフィルタ（５）のすぐ上流に配置され、かつ炭化水素吸着材はパティキュレートフィルタが位置されているのと同一のコンバータシェル内に位置されており、かつパティキュレートフィルタは、流入側上を酸化触媒でコートされたウォールフロー型フィルタであり、かつハニカム体上でのゼオライトコーティングが炭化水素吸着材として使用されており、該コーティングはゼオライトＺＳＭ５とＤＡＹとの混合物を有し、かつ白金をハニカム体容量に対して０．１ｇ／ｌ以下の濃度で触媒活性成分として含有する
   ことを特徴とする排ガス浄化システム。
2. 酸化触媒が、ハニカム体上に白金で活性化された酸化アルミニウム又はケイ酸アルミニウムの触媒活性コーティングを有することを特徴とする、請求項１に記載の排ガス浄化システム。
3. 炭化水素吸着材が、１〜５０ｇの範囲内の炭化水素についての吸蔵容量を有することを特徴とする、請求項１に記載の排ガス浄化システム。
4. 請求項１から３までの何れか１項に記載の排ガス浄化システムを運転する方法において、２００℃未満のエンジン排気口における排ガス温度でのエンジン運転段階の間に、エンジンによって排出され、かつ酸化触媒によって変換されていない炭化水素を炭化水素吸着材において吸着させ、そして排出された煤粒子をパティキュレートフィルタ上に堆積させる一方で、２００℃より高いエンジン排気口における排ガス温度でのエンジン運転段階の間に、排出された炭化水素を酸化触媒によって変換させ、そしてパティキュレートフィルタをときおり再生させ、その際、再生を開始するために、炭化水素吸着材の場所での排ガス温度をエンジンモディフィケーションによって炭化水素の脱着温度まで上昇させ、そして吸蔵された炭化水素を脱着させ、そしてパティキュレートフィルタの酸化用コーティングにおいて触媒燃焼させ、再生を支援することを特徴とする方法。
5. 排ガス中の炭化水素濃度を、吸蔵段階の間に炭化水素を内燃機関のシリンダ内にポスト噴射させることによって上昇させ、吸蔵される炭化水素の質量を増加させることを特徴とする、請求項４に記載の方法。

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