JP4506928B2

JP4506928B2 - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP4506928B2
Application number: JP2001287455A
Authority: JP
Inventors: 哲也渡邊; 圭介田代
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2001-09-20
Filing date: 2001-09-20
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2021-09-20
Also published as: JP2003097249A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関（以下、エンジンという）の排ガス中に含まれるパティキュレートをパティキュレートフィルタに捕集して焼却除去する排気浄化装置に関するものである。
【０００２】
【関連する背景技術】
ディーゼルエンジンから排出される排ガスには、炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯx）等のほかにパティキュレートが多く含まれており、このパティキュレートを処理するための後処理装置として、排ガス中のパティキュレートをパティキュレートフィルタに捕集する排気浄化装置が提案されている。このような排ガス浄化装置では、捕集したパティキュレートを焼却除去することによりフィルタを再生して、継続的な浄化を可能としているが、パティキュレートの焼却除去はフィルタ温度が所定以上の運転領域に限られるため、パティキュレートが燃焼し始める温度を低下させて、フィルタの再生効率を向上させる要望がある。
【０００３】
そこで、例えば特開平２−１７９１１号公報、特開平４−１４５９２６号公報、特開平７−３２８４４２号公報に記載の技術では、フィルタにアルカリ金属やアルカリ土類金属を担持させて、これらの材料が有する高い電気陰性度や電子供与性を利用して、パティキュレートの燃焼開始温度の低下を図っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本発明者が実施した試験では、フィルタの担体として一般的なコージェライト製のものを用いてアルカリ金属を担持させた場合、期待通りの浄化性能が得られないことが判明した。図５に示す一点鎖線は、アルカリ金属として炭酸カリウム（Ｋ₂ＣＯ₃）をコージェライト担体に担持した場合の熱耐久試験後の浄化特性を表しているが、破線で示す炭酸カリウムを担持しないコージェライト担体と比較して、パティキュレートの燃焼に伴う二酸化炭素（ＣＯ₂）はより低温域で発生し、上記した燃焼開始温度の低下作用が証明されるものの、その二酸化炭素の発生量のピークは寧ろ低下していることがわかる。
【０００５】
このような現象が発生する要因として、カリウム等のアルカリ金属やアルカリ土類金属は熱的安定性が弱く、高温下では飛散し易いことが考えられる。即ち、アルカリ金属やアルカリ土類金属（特にアルカリ金属）は雰囲気温度が高温になるほど蒸発等の飛散現象が進行するため、結果的にアルカリ金属やアルカリ土類金属の担持量が目減りして再生処理性能の劣化を招いているものと考えられる。そして、コージェライト製のフィルタは熱伝導率が１W/mK程度で比較的低く、過度の温度上昇を局所的に招き易いことが上記のような現象を誘発しているものと考えられる。上記各公報に記載された従来技術では、このようなフィルタの熱伝導率の影響について何ら検討されていないため、上記した飛散現象を抑制できなかった。
【０００６】
本発明の目的は、アルカリ金属やアルカリ土類金属の飛散現象を抑制して、パティキュレートの燃焼開始温度の低下作用が劣化するのを防止し、もって、高い耐久性及び再生効率を実現することができる排気浄化装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明では、機関の排気通路にパティキュレートフィルタを設けた排気浄化装置において、フィルタをシリコンカーバイト又は金属フィルタで構成すると共に、フィルタに炭酸塩を担持させ、担持した炭酸塩の硝酸塩又は硫酸塩への変化を抑制すべく、フィルタへの貴金属の担持量を０若しくは微量に調整した。
【０００８】
従って、フィルタに捕集されたパティキュレートはフィルタ温度の上昇時に燃焼し、これによりフィルタが再生され、フィルタに炭酸塩が担持されることで、パティキュレートはより低い温度で燃焼を開始し、結果としてフィルタの再生効率が向上する。炭酸塩は、例えば硝酸塩や硫酸塩に比較してパティキュレートの燃焼開始温度の低下作用に優れることから、同一運転条件においてフィルタ温度がパティキュレートの燃焼開始温度に一層達し易くなるため、フィルタ再生効率が向上する。
フィルタ上でのパティキュレートは全体が均一に燃焼することなく、堆積部分の一端から燃焼を開始して、その燃焼部分を次第に移行させながら燃焼を継続するため、フィルタはパティキュレートの燃焼部分において局所的な温度上昇を生じる。ここで、シリコンカーバイトや金属フィルタは熱伝導率が高いため、パティキュレートの燃焼部分の熱が他の部分に逃がされ、燃焼部分の温度上昇が緩和される。その結果、温度上昇による炭酸塩の飛散現象が抑制され、上記燃焼開始温度の低下作用の劣化が防止される。
そして、炭酸塩が貴金属と反応した場合には、より燃焼開始温度の低下作用が弱い硝酸塩又は硫酸塩に変化するが、フィルタへの貴金属の担持量が０若しくは微量に調整されているため、このような事態が未然に防止され、又、炭酸塩の反応がパティキュレートの燃焼開始温度を低下させるためにほとんど費やされるため、結果として燃焼開始温度の低下作用が最大限に得られる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した排気浄化装置の一実施形態を説明する。
本実施形態の排気浄化装置はディーゼルエンジンに適用され、当該排気浄化装置のフィルタは、ディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦという）としてエンジンの排気通路に設けられている。図１は本実施形態の排気浄化装置に備えられたＤＰＦを示す断面図、図２はＤＰＦを示す正面図、図３は図１のＡ部分の詳細を示す部分拡大断面図である。これらの図に示すように、ＤＰＦ１は多数のセル２ａからなるハニカム（モノリス）型の担体２を有している。担体２の各セル２ａはそれぞれ断面四角状に形成され、隣接するセル２ａの上流側と下流側との開口部は交互にプラグ３で閉鎖されている。
【００１２】
本実施形態の担体２は、シリコンカーバイト（ＳiＣ）で製作されており、例えば、ＳiＣ粉体とバインダーを混合したものを水に分散させ、その固形分をハニカム状に成形し、このハニカム成形体を焼成したものである。尚、この担体２の成形時に、前記プラグ３も同時に一体成形される。
図３に示すように、シリコンカーバイト担体３の表面全体には、触媒層４としてアルカリ金属の炭酸カリウム（Ｋ₂ＣＯ₃）が担持されている。本実施形態の触媒層４は炭酸カリウムのみから形成され、その担持量は１〜１００ｇ/ｌの範囲で設定されている。
【００１３】
触媒層４は、例えば以下のようにして、シリコンカーバイト担体３の表面に形成される。まず、炭酸カリウムを含むスラリーを調製し、このスラリー中にシリコンカーバイト担体３を浸漬する。その後、シリコンカーバイト担体３を乾燥・焼成すると、シリコンカーバイト担体３の表面に炭酸カリウムからなる触媒層４が形成される。
【００１４】
以上のように構成された排気浄化装置において、エンジンからの排ガスは、図１に矢印で示すように各セル２ａを区画する濾過面２ｂを透過して流通し、含有するパティキュレートを濾過面２ｂに捕集された後に大気中に排出される。濾過面２ｂに堆積したパティキュレートは、ＤＰＦ温度が所定以上に達する運転状態において焼却除去され、この再生処理が繰り返されることにより、ＤＰＦ１は継続的にパティキュレートの浄化作用を奏する。
【００１５】
このようなＤＰＦ１の再生は、機関負荷や回転が高い運転領域において排気温度の上昇に伴って自ずと行われる一方（連続再生）、ＤＰＦ１の前後差圧等に基づいてパティキュレートの捕集量が限界と判断されるときには、周知の吸排気絞りや噴射時期のリタード、或いはコモンレール式ディーゼルエンジンでは膨張行程や排気行程でのポスト噴射が実行されて排気温度が上昇され、パティキュレートが強制的に焼却除去される（強制再生）。
【００１６】
本発明者は、ＤＰＦ１に担持した炭酸カリウムによりパティキュレートの燃焼開始温度を低下させる作用がどの程度得られるかを実験した。図４は実験結果を示しており、触媒材料を一切担持しない場合の燃焼開始温度が５５０℃程度であったのに対し、炭酸カリウムを担持することで３５０℃程度まで低下されることを確認した。尚、カリウムを含む他の酸化物である硝酸カリウム（ＫＮＯ₃）の場合には４００℃程度であり、硫酸カリウム（Ｋ₂ＳＯ₄）の場合には４７０℃程度であることから、炭酸カリウムが最も顕著な作用を奏することがわかる。
【００１７】
従って、炭酸カリウムを使用した場合は、通常運転時において、ＤＰＦ温度が燃焼開始温度に達して連続再生が行われる機会がより増加するため、ＤＰＦ１での捕集量に余裕が生じて、常に確実にパティキュレートの浄化がなされると共に、強制再生時には、排気昇温に要する燃焼消費量を低減可能となる。
一方、ＤＰＦ１上でのパティキュレートは、全体が均一に燃焼することなく堆積部分の一端から燃焼を開始し、その燃焼部分を次第に移行させながら燃焼を継続するため、ＤＰＦ１はパティキュレートの燃焼部分において局所的な温度上昇を生じる。ここで、シリコンカーバイト担体２の熱伝導率は５０W/mK程度であり、コージェライト担体等に比較して格段に高いため、パティキュレートの燃焼部分の熱が他の部分（ＤＰＦ１の非燃焼部分、或いは濾過面２ｂを透過する際の排ガス等）に逃がされ、結果として、ＤＰＦ１のパティキュレート燃焼部分の温度上昇が緩和されて、温度上昇による炭酸カリウムの飛散現象が確実に抑制される。
【００１８】
図５に示す実線は、炭酸カリウムをシリコンカーバイト担体２に担持した本実施形態のＤＰＦ１の熱耐久試験後の浄化特性を表しているが、一点鎖線で示す炭酸カリウムをコージェライト担体に担持した従来技術と比較して、パティキュレートの燃焼に伴って二酸化炭素（ＣＯ₂）が発生する温度域はほぼ同様であるが、そのピークは遥かに高く、パティキュレートが活発に燃焼されてＤＰＦ１の再生効率が高いことがわかる。
【００１９】
この試験結果は、細孔分布がより均一なシリコンカーバイト担体２では、触媒成分とパティキュレートとが高い確率で接触して迅速に反応することも要因の一つであるが、上記のように熱耐久試験後も炭酸カリウムが飛散して劣化することなく、炭酸カリウムによる燃焼開始温度の低下作用が十分に奏されることが大きく関与していると考えられる。
【００２０】
よって、本実施形態の排気浄化装置によれば、カリウムの飛散現象を抑制して、パティキュレートの燃焼開始温度の低下作用が劣化するのを防止し、もって、その耐久性を飛躍的に向上させることができる。又、これにより、通常運転時において連続再生が行われる機会が増加して、パティキュレートを確実に浄化できると共に、強制再生時には排気昇温に要する燃料消費量を低減でき、結果として高い再生効率を実現することができる。
【００２１】
又、以上のようにＤＰＦ１の担体２の材質を変更するだけであり、既存の排気システムを変更する必要がないことから、極めて容易に実現することができる。更に、図４に基づいて説明したように、パティキュレートの燃焼開始温度の低下作用に最も優れた炭酸カリウムを触媒層４として担持するため、硝酸カリウムや硝酸カリウムに比較して、ＤＰＦ温度がパティキュレートの燃焼開始温度に一層達し易くなり、その再生効率を十分に高めることができる。
【００２２】
一方、触媒層４中の炭酸カリウムに白金（Ｐt）等の貴金属を共存させた場合、所謂ＮＯx吸蔵触媒におけるＮＯx（窒素酸化物）吸着時と同様に、貴金属上で炭酸カリウムが排ガス中のＮＯと反応して、硝酸カリウムが生成されたり、ＳＯx（硫黄酸化物）吸着時と同様に、貴金属上で炭酸カリウムが排ガス中の硫黄成分ＳＯ₂と反応して、硫酸カリウムが生成されたりする現象が生じる。つまり、炭酸カリウムがより燃焼開始温度の低下作用の弱い硝酸カリウムや硫酸カリウムに変質してしまうが、本実施形態では触媒層４に貴金属を含有していないため、このような事態を未然に防止できるという利点もある。又、貴金属との反応を防止することにより、炭酸カリウムの反応はパティキュレートの燃焼開始温度を低下させるために全て費やされるため、結果として燃焼開始温度の低下作用を最大限に得ることができる。
【００２３】
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、高い熱伝導率が得られる材料としてシリコンカーバイトを適用したが、ＤＰＦ１の担体２として要求される強度や耐熱性を満足した上で、高い熱伝導率を実現できる材料であれば、これに限ることはなく、例えばステンレス等からなる金属繊維を所定の空間充填率となるように分散状態で充填・固定化して構成した金属製フィルタ（熱伝導率１４W/mK程度）でもよい。
【００２４】
又、上記実施形態では、担体２上にカリウムを炭酸塩の形で担持したが、硝酸塩や硫酸塩、或いは酸化物や水酸化物等の形で担持してもよい。例えば硝酸塩や硫酸塩の場合でも、図４に基づいて説明したように、触媒材料を一切担持しない場合に比較して十分にパティキュレートの燃焼開始温度を低下可能である。又、カリウム以外のアルカリ金属、例えばリチウム（Ｌi）、ナトリウム（Ｎa）、ルビジウム（Ｒb）等を担持したり、アルカリ希土類であるバリウム（Ｂa）、ベリリウム（Ｂe）、マグネシウム（Ｍg）、カルシウム（Ｃa）、ストロンチウム（Ｓr）、ラジウム（Ｒa）等を担持してもよい。
【００２５】
更に、上記実施形態では、触媒層４を炭酸カリウムのみから形成したが、上記した貴金属による炭酸カリウムの変質が生じない程度であれば、貴金属の含有を妨げるものではなく、例えば白金（Ｐt）等を微量に含有させてもよいし、或いは貴金属以外の触媒材料、例えば、アルミナ等の触媒基材、遷移金属、希土類を炭酸カリウムに共存させてもよい。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１の発明の排気浄化装置によれば、炭酸塩の飛散現象を抑制して、パティキュレートの燃焼開始温度の低下作用が劣化するのを防止し、もって、高い耐久性及び再生効率を実現できると共に、炭酸塩と貴金属との反応を防止してフィルタの再生効率を更に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の排気浄化装置に備えられたＤＰＦを示す断面図である。
【図２】ＤＰＦを示す正面図である。
【図３】図１のＡ部分の詳細を示す部分拡大断面図である。
【図４】触媒層の組成と燃焼開始温度との関係を示す説明図である。
【図５】実施形態と従来技術との浄化特性を比較した説明図である。
【符号の説明】
１ＤＰＦ（フィルタ）

Claims

機関の排気通路にパティキュレートフィルタを設けた排気浄化装置において、
上記フィルタをシリコンカーバイト又は金属フィルタで構成すると共に、上記フィルタに炭酸塩を担持させ、該担持した炭酸塩の硝酸塩又は硫酸塩への変化を抑制すべく、上記フィルタへの貴金属の担持量を０若しくは微量に調整したことを特徴とする排気浄化装置。