JP5335315B2

JP5335315B2 - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP5335315B2
Application number: JP2008206599A
Authority: JP
Inventors: 博舟橋; 誠辻田
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2008-08-11
Filing date: 2008-08-11
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2028-08-11
Also published as: JP2010043564A

Description

本発明は、排気浄化装置に関するものである。

ディーゼルエンジンから排出されるパティキュレート（Particulate Matter：粒子状物質）は、炭素質から成る煤と、高沸点炭化水素成分から成るＳＯＦ分（Soluble Organic Fraction：可溶性有機成分）とを主成分とし、更に微量のサルフェート（ミスト状硫酸成分）を含んだ組成を成すものであるが、この種のパティキュレートの低減対策としては、排気ガスが流通する排気管の途中に、パティキュレートフィルタを装備することが従来より行われている。

この種のパティキュレートフィルタは、コージェライト等のセラミックから成る多孔質のハニカム構造を成し、格子状に区画された各流路の入口が交互に目封じされ、入口が目封じされていない流路については、その出口が目封じされるようになっており、各流路を区画する多孔質薄壁を透過した排気ガスのみが下流側へ排出される一方、排気ガス中のパティキュレートが多孔質薄壁の内側表面に捕集されるようになっている。

そして、排気ガス中のパティキュレートは、前記多孔質薄壁の内側表面に捕集されて堆積するので、目詰まりにより排気抵抗が増加しないうちにパティキュレートを適宜に燃焼除去してパティキュレートフィルタの再生を図る必要があるが、通常のディーゼルエンジンの運転状態においては、パティキュレートが自己燃焼するほどの高い排気温度が得られる機会が少ない為、ＰｔやＰｄ等を活性種とする酸化触媒をパティキュレートフィルタに一体的に担持させるようにしている。

即ち、このような酸化触媒を担持させたパティキュレートフィルタを採用すれば、捕集されたパティキュレートの酸化反応が促進されて着火温度が低下し、従来より低い排気温度でもパティキュレートを燃焼除去することが可能となるのである。

ただし、斯かるパティキュレートフィルタを採用した場合であっても、排気温度の低い運転領域では、パティキュレートの処理量よりも捕集量が上まわってしまうので、このような低い排気温度での運転状態が続くと、パティキュレートフィルタの再生が良好に進まずに該パティキュレートフィルタが過捕集状態に陥る虞れがある。

そこで、パティキュレートフィルタの前段にフロースルー型の酸化触媒を付帯装備させ、パティキュレートの堆積量が増加してきた段階で酸化触媒より上流側に燃料を添加してパティキュレートフィルタの強制再生を行うことが考えられている。

つまり、このようにすれば、燃料添加で生じた炭化水素が酸化触媒を通過する間に酸化反応し、その反応熱で昇温した排気ガスの流入によって直後のパティキュレートフィルタの床温度が上げられてパティキュレートが燃やし尽くされ、パティキュレートフィルタの再生化が図られることになる。

ところが、このようにパティキュレートフィルタの前段に酸化触媒を付帯装備させた場合に、ディーゼルエンジンの排気ガス中に燃料（軽油）中の硫黄分を起源とするＳＯ₂ガスが存在していると、このＳＯ₂ガスが次式
［化１］
２ＳＯ₂＋Ｏ₂＋２Ｈ₂Ｏ→２Ｈ₂ＳＯ₄
によりサルフェート（ミスト状硫酸成分）を生成してしまう懸念があった。

この種のサルフェートは、約６３０℃以上の高温下で再びＳＯ₂ガスとなって脱離してしまうものであるが、開発途上国等での高硫黄燃料の使用にあっては、サルフェートの生成量が多すぎて短期間のうちに酸化触媒の入口部の表面が全てサルフェートで覆われるコーキングを招いてしまうので、酸化触媒の機能が発揮できなくなってパティキュレートフィルタの再生を図ることができなくなる虞れがあり、このため、前記酸化触媒の入口部にバーナ装置を設けて該バーナ装置の火炎で排気ガスを大幅に昇温し、この高温となった排気ガスを流入させることで酸化触媒の入口部を加熱してサルフェートをＳＯ₂ガスとして脱離させることが検討されている。

尚、この種の触媒や排気ガスをバーナ装置を用いて加熱する技術に関連する先行技術文献情報としては下記の特許文献１や特許文献２がある。
特開平５−８６８４５号公報特開平６−１６７２１２号公報

しかしながら、酸化触媒に流入する排気ガスの全てを単にバーナ装置によるバーナ火炎によって例えば約６３０℃以上の高温に加熱するためには大きな能力のバーナ装置が必要であるためにバーナ装置が大型化してしまう問題があり、又、バーナ火炎のみによる加熱では排気ガス及び酸化触媒の入口部を均一に加熱することが困難である問題があり、更に、前記したように高硫黄燃料の使用にあっては、短期間でサルフェートによって酸化触媒の入口部が覆われてしまうために、頻繁にバーナ装置を作動させて酸化触媒のサルフェートを除去する必要があるため燃料の使用量が増加することになるが、前記したように均一加熱が困難なことと相俟って、多量の燃料が消費されることにより燃費が大幅に悪化してしまう問題がある。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、酸化触媒へのサルフェートのコーキングを最少にし、しかも大型のバーナ装置に比して比較的少ない燃料の消費で酸化触媒の入口部を必要温度に効果的に加熱して入口部の脱硫処理を図れるようにすることを目的としている。

本発明の排気浄化装置は、排気ガス中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタと、前記パティキュレートフィルタの上流に備えた酸化触媒と、排気ガスを前記酸化触媒を経由して前記パティキュレートフィルタへ導く再生流路と、排気ガスを酸化触媒を迂回して前記パティキュレートフィルタへ直接導く通常流路と、通常時は通常流路を選択して排気ガスを流し且つ前記パティキュレートフィルタの再生時及び酸化触媒の脱硫処理時には排気ガスの流れを通常流路から再生流路に切り換える流路切換手段とをフィルタケース内に備え、
前記酸化触媒の入口部に対峙して配置され脱硫処理時に燃料を燃焼用空気と共に噴射して酸化触媒の入口部を脱硫可能温度に加熱する容量を備えた添加ノズルと、該添加ノズルの噴射口近傍に配置され且つ該噴射口から噴射される燃料に着火する放電端子とからなるバーナ装置が入口チャンバを介して前記フィルタケースに備えられ、
前記バーナ装置と前記酸化触媒との間に位置し、バーナ火炎により加熱されて排気ガスを均一に加熱する孔開き加熱板を前記フィルタケース内に備え、
前記バーナ装置と、前記酸化触媒と、前記パティキュレートフィルタは、同一仮想直線上に配設され、
前記流路切替手段は、前記仮想直線に対して直交する方向からの排気ガスの流れを切り替える、
ことを特徴とするものである。

而して、通常時は通常流路を選択して排気ガスをパティキュレートフィルタへ流し、パティキュレートフィルタの再生時のみ再生流路に排気ガスを流し酸化触媒を経由してパティキュレートフィルタへ導くようにしているので、高硫黄燃料を使用するディーゼルエンジンにおいても、酸化触媒に対するサルフェートのコーキングが最少になるように減少される。

酸化触媒の脱硫処理時には、再生流路に排気ガスを流すように切り換えた状態で、添加ノズルにより燃料を燃焼用空気と共に噴射して燃焼させるが、このとき、バーナ装置のバーナ火炎によって孔開き加熱板が灼熱化されることにより排気ガスが均一温度に加熱されるので、その結果、酸化触媒の入口部をバーナ装置の比較的少ない燃料によって脱硫可能な約６３０℃以上に均一に加熱することができ、よって酸化触媒の入口部に貯留したサルフェートはＳＯ₂ガスとして脱離され、酸化触媒の入口部は脱硫処理されることになる。

上記した本発明の排気浄化装置によれば、通常時は通常流路を選択して排気ガスをパティキュレートフィルタへ流し、パティキュレートフィルタの再生時のみ再生流路に排気ガスを流し酸化触媒を経由してパティキュレートフィルタへ導くようにしているので、高硫黄燃料を使用するディーゼルエンジンにおいても、酸化触媒に対するサルフェートのコーキングを最少にすることができる。

又、酸化触媒の脱硫処理時には、再生流路に排気ガスを流すように切り換えた状態で、添加ノズルにより燃料を燃焼用空気と共に噴射して燃焼させるが、このとき、バーナ装置のバーナ火炎によって孔開き加熱板が灼熱化されることにより排気ガスが均一温度に加熱され、その結果、酸化触媒の入口部をバーナ装置の比較的少ない燃料の使用によって脱硫可能温度に均一に加熱することができ、よって酸化触媒の入口部に貯留したサルフェートを少ない燃料で脱硫処理することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１、図２は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図１中における符号１はターボチャージャ２を装備したディーゼルエンジンを示しており、エアクリーナ３から導かれた吸気４が吸気管５を通し前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａへと送られ、該コンプレッサ２ａで加圧された吸気４がインタークーラ６へと送られて冷却され、該インタークーラ６から更に吸気マニホールド７へと吸気４が導かれてディーゼルエンジン１の各気筒８（図１では直列６気筒の場合を例示している）に分配されるようになっている。

また、前記ディーゼルエンジン１の各気筒８から排出された排気ガス９は、排気マニホールド１０を介しターボチャージャ２のタービン２ｂへと送られ、該タービン２ｂを駆動した後に排気管１１へと送り出されるようにしてあるが、この排気管１１の終端部にフィルタケース１２が介装されており、該フィルタケース１２内における後段側に、パティキュレートフィルタ１３が収容されている。このパティキュレートフィルタ１３は酸化触媒を一体的に担持して成る触媒再生型であってもよく、酸化触媒が担持されていないものであってもよい。

このパティキュレートフィルタ１３は、セラミックから成る多孔質のハニカム構造を有し、格子状に区画された各流路の入口が交互に目封じされ、入口が目封じされていない流路については、その出口が目封じされるようになっており、各流路を区画する多孔質薄壁を透過した排気ガス９のみが下流側へ排出されるようにしてある。

更に、前記フィルタケース１２内におけるパティキュレートフィルタ１３の前段には、フロースルー型の酸化触媒１４が装備されており、燃料タンク１５に貯留された前記ディーゼルエンジン１の燃料或いは灯油からなる燃料１６を、ポンプ１７、配管１８、燃料供給弁１９からなる再生燃料供給手段２０を介してノズル２１から前記排気管１１に添加し、添加された燃料１６により生じた炭化水素を酸化触媒１４で酸化させ、その反応熱で排気ガス９を昇温して直後のパティキュレートフィルタ１３の床温度を上げ、ここに捕集されているパティキュレートを燃やし尽くしてパティキュレートフィルタ１３の再生化を図り得るようにしてある。

また、前記ノズル２１による燃料１６の添加位置と、前記フィルタケース１２との間を接続する排気管１１は、図１、図２に示す如く、排気ガス９を酸化触媒１４を経由させてパティキュレートフィルタ１３へ導く再生流路２２と、排気ガス９を酸化触媒１４を迂回させてパティキュレートフィルタ１３へ直接導く通常流路２３とに二股状に分岐され、その分岐箇所には、通常時は通常流路２３を選択して実線で示すように排気ガス９を流し且つパティキュレートフィルタ１３の再生処理及び酸化触媒１４の脱離処理を施す必要が生じた時には排気ガス９の流れを一点鎖線で示すように通常流路２３から再生流路２２へ切り換えて流すバタフライ弁２４が流路切換手段として設けられている。図２中、２５は前記通常流路２３と再生流路２２を仕切るように酸化触媒１４の外周に設けたセパレータ、２６は環状を有して前記通常流路２３の排気ガス９を周方向で均等にパティキュレートフィルタ１３へ導くようにした開口を有するフィルタ分散筒を示す。

また、前記フィルタケース１２の前端内部における酸化触媒１４の前側には、環状を有して前記再生流路２２の排気ガス９を周方向で均等に酸化触媒１４へ導くようにした開口を有する触媒分散筒２７が設けてあり、該触媒分散筒２７の前側には、前記酸化触媒１４の入口部を加熱して該入口部の脱硫処理を図り得るようにしたバーナ装置２８が入口チャンバ２９を介して装備されている。このバーナ装置２８は、燃料と燃焼用空気を噴射する添加ノズル３０と、該添加ノズル３０の噴射口３１近傍に配置され、噴射口３１から噴射される燃料を放電によって着火するようにした放電端子３２（着火手段）とを備えている。

前記添加ノズル３０の基端部には、図１に示すように、該コンプレッサ２ａ出口の圧縮された吸気４を空気ダンパ３３ａを介し燃焼用空気４’として供給するようにしたエアホース３３が接続されていると共に、燃料タンク１５の燃料１６をポンプ１７、配管３４からなる脱硫燃料供給手段３５を介して供給するようにしてあり、添加ノズル３０から燃料１６を燃焼用空気４’と共に噴射し得るようにしている。尚、図１では前記再生燃料供給手段２０と脱硫燃料供給手段３５が同一の燃料タンク１５及びポンプ１７を共用して燃料１６を供給するようにしているが、夫々単独の燃料タンク１５及びポンプ１７を備えて燃料１６を供給するようにしてもよい。又、ここで、燃料タンク１５の燃料１６としてサルファーフリー燃料を用いることは好ましい。

また、前記添加ノズル３０と酸化触媒１４の入口部との間には、バーナ装置２８のバーナ火炎２８ａにより加熱されて排気ガス９を均一に加熱するようにした孔開き加熱板３６を備えている。孔開き加熱板３６は耐熱性の高いステンレス鋼等により構成されている。

尚、ディーゼルエンジン１の作動、バタフライ弁２４（流路切換手段）の切換作動、ポンプ１７の作動、燃料供給弁１９の作動、空気ダンパ３３ａの作動等は、図示しないエンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）からなる制御装置によって制御されるようになっている。又、図１において、符号３７は排気ガス９を排気側から吸気側へ再循環するためのＥＧＲパイプ、３８はその再循環される排気ガス９の一部を冷却する水冷式のＥＧＲクーラ、３９はＥＧＲバルブ、４０は前記フィルタケース１２の後端部に備えられた排気取出管、４１は前記フィルタケース１２、再生流路２２及び通常流路２３の外面に備えた断熱層を夫々示している。

而して、図１、図２の形態では、通常時は通常流路２３を選択するようにバタフライ弁２４（流路切換手段）を切り換えて排気ガス９を実線で示すようにパティキュレートフィルタ１３へ流すようにしている。

パティキュレートフィルタ１３の再生時には、バタフライ弁２４（流路切換手段）を切り換えて再生流路２２に一点鎖線で示すように排気ガス９を流し酸化触媒１４を経由してパティキュレートフィルタ１３へ導くと共に、再生燃料供給手段２０により燃料タンク１５からの燃料１６をノズル２１により排気管１１へ供給し、この燃料１６の添加により炭化水素が酸化触媒１４で酸化する反応熱によって排気ガス９を昇温させて直後のパティキュレートフィルタ１３の床温度を上げ、ここに捕集されたパティキュレートを燃やし尽くしてパティキュレートフィルタ１３を再生させる。

パティキュレートフィルタ１３の再生は、所定時間毎、或いはパティキュレートフィルタ１３の前後の圧力差の増加に基づいて行われるが、前記したように、パティキュレートフィルタ１３の再生時にのみ、再生流路２２に排気ガス９を流すようにしているので、高硫黄燃料を使用するディーゼルエンジンにおいても、酸化触媒１４に対するサルフェートのコーキングは最少にすることができる。尚、パティキュレートフィルタ１３の再生時に供給する燃料１６にサルファーフリー燃料を用いるようにすると、サルフェートのコーキングの発生を更に減少させることができる。

上記によって、酸化触媒１４に対するサルフェートのコーキングの発生は減少されることになるが、長期間の運転が行われると、サルフェートのコーキングは徐々に増加してくるため、所定の期間ごとには酸化触媒１４を脱硫処理することが必要になる。

酸化触媒１４の脱硫処理時には、再生流路２２に排気ガス９を流すようにバタフライ弁２４（流路切換手段）を切り換えた状態で、再生燃料供給手段２０により燃料タンク１５の燃料１６を添加ノズル３０に供給する一方、空気ダンパ３３ａによりコンプレッサ２ａ出口の吸気４を燃焼用空気４’として添加ノズル３０に供給して共に噴射し、その噴射燃料に放電端子３２（着火手段）で着火するとバーナ火炎２８ａによって酸化触媒１４の入口部が加熱され、酸化触媒１４の入口部に生じたサルフェートを蒸発させることが可能となる。

ここで、バーナ装置２８の添加ノズル３０と酸化触媒１４の入口部との間には孔開き加熱板３６が備えてあるので、前記バーナ火炎２８ａによって孔開き加熱板３６が灼熱化することにより排気ガス９が均一温度に加熱されるようになり、その結果、酸化触媒１４の入口部を脱硫可能な約６３０℃以上に均一に加熱することができ、よって酸化触媒１４の入口部に貯留したサルフェートをＳＯ₂ガスとして脱離させ、酸化触媒１４の入口部を脱硫処理することができる。このように、孔開き加熱板３６を備えたことにより酸化触媒１４の入口部を均一に加熱できるため、従来の大型のバーナ装置に比して中型の容量を備えた中型バーナ装置２８によって少ない燃料の消費で効果的に酸化触媒１４の入口部を脱硫可能な温度に加熱することができ、よって燃費を大幅に向上させることができる。又、前記バーナ装置２８は簡単な構成であるため、安価に製造できると共に、耐久性を高めることができる。尚、前記酸化触媒１４の脱硫処理時に供給する燃料１６にサルファーフリー燃料を用いるようにすると、脱硫時にサルフェートが発生することを防止できる。

図３、図４は、本発明の形態の他の例を示したもので、パティキュレートフィルタ１３と酸化触媒１４を箱形のフィルタケース４２内に同心に配置するようにした箱形フィルタの場合を示しており、前記パティキュレートフィルタ１３と酸化触媒１４の軸線が鉛直になるようにフィルタケース４２をフレーム４３に固定しており、前記酸化触媒１４の前側（上側）にはバーナ装置２８が配置され、パティキュレートフィルタ１３の下部から導出される排気ガス９を箱形のフィルタケース４３内部を通して上部から外部に導く排気取出管４４を有している点以外は前記の形態と同様であり、前記形態と同様の作用効果を奏することができる。

尚、本発明の排気浄化装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、本発明で対象としている酸化触媒には、高硫黄燃料を使用した場合にＳＯ₂ガスを酸化してサルフェートを生成してしまう酸化促進性能を備えた触媒全てが含まれ、この種の酸化促進性能を備えた触媒であれば、ＮＯx吸蔵還元触媒等と呼称されているものであっても同様に適用できること、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明を実施する形態の一例を示す全体概略図である。図１のバーナ装置を含む要部の詳細を示す断面図である。本発明を実施する形態の他の例を示す正面図である。図３をＩＶ−ＩＶ方向から見た切断平面図である。

符号の説明

４’ 燃焼用空気（吸気）
９排気ガス
１１排気管
１３パティキュレートフィルタ
１４酸化触媒
１６燃料
２２再生流路
２３通常流路
２４バタフライ弁（流路切換手段）
２８バーナ装置（中型バーナ装置）
２８ａバーナ火炎
３０添加ノズル
３１噴射口
３２放電端子（着火手段）
３６孔開き加熱板

Claims

排気ガス中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタと、前記パティキュレートフィルタの上流に備えた酸化触媒と、排気ガスを前記酸化触媒を経由して前記パティキュレートフィルタへ導く再生流路と、排気ガスを酸化触媒を迂回して前記パティキュレートフィルタへ直接導く通常流路と、通常時は通常流路を選択して排気ガスを流し且つ前記パティキュレートフィルタの再生時及び酸化触媒の脱硫処理時には排気ガスの流れを通常流路から再生流路に切り換える流路切換手段とをフィルタケース内に備え、
前記酸化触媒の入口部に対峙して配置され脱硫処理時に燃料を燃焼用空気と共に噴射して酸化触媒の入口部を脱硫可能温度に加熱する容量を備えた添加ノズルと、該添加ノズルの噴射口近傍に配置され且つ該噴射口から噴射される燃料に着火する放電端子とからなるバーナ装置が入口チャンバを介して前記フィルタケースに備えられ、
前記バーナ装置と前記酸化触媒との間に位置し、バーナ火炎により加熱されて排気ガスを均一に加熱する孔開き加熱板を前記フィルタケース内に備え、
前記バーナ装置と、前記酸化触媒と、前記パティキュレートフィルタは、同一仮想直線上に配設され、
前記流路切替手段は、前記仮想直線に対して直交する方向からの排気ガスの流れを切り替える、
ことを特徴とする排気浄化装置。