JP5883748B2 - ディーゼルエンジンの排気処理装置及び可燃性ガス生成触媒 - Google Patents
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Description
この種の装置によれば、排気の温度が低い場合にも、可燃性ガスで排気を昇温させ、DPFに溜まったPMを燃焼除去し、DPFを再生させることができる利点がある。
しかし、この従来技術では、可燃性ガス生成器に可燃性ガス生成触媒室を設け、この可燃性ガス生成触媒室に可燃性ガス生成触媒を収容し、この可燃性ガス生成触媒内に触媒温度検出手段を進入させ、この触媒温度検出手段を制御手段を介して空気供給手段と液体燃料供給手段とに連携させ、可燃性ガス生成器の上部に空燃混合室を形成し、触媒温度検出手段で検出した可燃性ガス生成触媒の温度に基づいて、制御手段が空気供給手段と液体燃料供給手段とを制御して、空燃混合室に所定量の空気と液体燃料とを供給することにより、空燃混合室で空気と液体燃料との空燃混合物を形成し、この空燃混合物を空燃混合室の下部から可燃性ガス生成触媒の上部中心の触媒入口部に供給し、可燃性ガス生成触媒で可燃性ガスを生成させ、この可燃性ガスを可燃性ガス生成触媒の下端部の触媒出口部から流出させるに当たり、可燃性ガス生成触媒を円柱形状にしているため、問題がある。
可燃性ガス生成触媒を円柱形状にしているため、可燃性ガス生成触媒の下寄り部は、上寄り部と同様、上下方向に伸びる中心軸線と直交する断面の面積が比較的大きく、傾斜時に、可燃性ガス生成触媒の下寄り部を通過する液体燃料が、中心部から遠く離れた外周部に偏り、触媒反応熱による可燃性ガス生成触媒の温度分布が不均一になり、可燃性ガス生成触媒の熱損傷が生じるおそれがある。
前記のように、傾斜時に、触媒反応熱による可燃性ガス生成触媒の温度分布が不均一になると、触媒温度検出手段が、可燃性ガス生成触媒の平均温度から大幅に低い温度を可燃性ガス生成触媒の検出温度として検出してしまうおそれがあり、この検出温度に基づいて空気や液体燃料が過剰に供給され、可燃性ガス触媒が温度許容値を超える高温状態になり、触媒担体の溶損、若しくは触媒の劣化を引き起こすおそれがある。
前記のように、傾斜時に、触媒反応熱による可燃性ガス生成触媒の温度分布が不均一になると、触媒温度検出手段が、可燃性ガス生成触媒の平均温度から大幅に離れた温度を可燃性ガス生成触媒の検出温度として検出してしまうおそれがあり、この検出温度に基づいて空気や液体燃料が過剰または過少に供給され、生成される可燃性ガスの成分が非傾斜時と大きく相違し、DPFの再生ができなくなるおそれがある。
図2に例示するように、可燃性ガス生成器(1)で可燃性ガス(2)を生成させ、この可燃性ガス(2)をDPF(3)の上流で可燃性ガス放出口(4)から排気通路(5)に放出し、この可燃性ガス(2)を排気(6)中の酸素で燃焼させ、その燃焼熱で排気(6)を昇温させ、排気(6)の熱でDPF(3)に溜まったPMを燃焼除去することができるようにした、ディーゼルエンジンの排気処理装置において、
図1、図2または図3に例示するように、可燃性ガス生成器(1)に可燃性ガス生成触媒室(7)を設け、この可燃性ガス生成触媒室(7)に可燃性ガス生成触媒(8)を収容し、この可燃性ガス生成触媒(8)内に触媒温度検出手段(19)を進入させ、この触媒温度検出手段(19)を制御手段(21)を介して空気供給手段(17)と液体燃料供給手段(18)とに連携させ、可燃性ガス生成器(1)の上部に空燃混合室(9)を形成し、触媒温度検出手段(19)で検出した可燃性ガス生成触媒(8)の温度に基づいて、制御手段(21)が空気供給手段(17)と液体燃料供給手段(18)とを制御して、空燃混合室(9)に所定量の空気(10)と液体燃料(11)とを供給することにより、空燃混合室(9)で空気(10)と液体燃料(11)との空燃混合物(12)を形成し、この空燃混合物(12)を空燃混合室(9)の下端部から可燃性ガス生成触媒(8)の上部中心の触媒入口部(13)に供給し、可燃性ガス生成触媒(8)で可燃性ガス(2)を生成させ、この可燃性ガス(2)を可燃性ガス生成触媒(8)の下端部の触媒出口部(8b)から流出させるに当たり、
図1または図3に例示するように、可燃性ガス生成触媒室(7)と可燃性ガス生成触媒(8)とを下窄まり形状として、可燃性ガス生成触媒室(7)に可燃性ガス生成触媒(8)を嵌入させた、ことを特徴とするディーゼルエンジンの排気処理装置。
図1または図3に例示するように、請求項1に記載されたディーゼルエンジンの排気処理装置に用いる下窄まり形状の可燃性ガス生成触媒であって、触媒温度検出手段(19)の進入部(19a)を設け、触媒入口部(13)側の上寄り部よりも触媒出口部(8b)側の下寄り部の方が、上下方向に伸びる中心軸線(8a)と直交する断面の面積が小さくなるようにした、ことを特徴とする可燃性ガス生成触媒。
《効果》 傾斜時の可燃性ガス生成触媒の熱損傷を抑制することができる。
図1または図3に例示するように、可燃性ガス生成触媒室(7)と可燃性ガス生成触媒(8)とを下窄まり形状として、可燃性ガス生成触媒室(7)に可燃性ガス生成触媒(8)を嵌入させたので、可燃性ガス生成触媒(8)の下寄り部は、上下方向に伸びる中心軸線(8a)と直交する断面の面積を比較的小さくすることができ、傾斜時に、可燃性ガス生成触媒(8)の下寄り部を通過する液体燃料(11)が、中心部から近い外周部と中心部とを偏りなく通過し、触媒反応熱による可燃性ガス生成触媒(8)の温度分布の不均一化が是正され、可燃性ガス生成触媒(8)の熱損傷を抑制することができる。
前記のように、傾斜時の触媒反応熱による可燃性ガス生成触媒(8)の温度分布の不均一化が是正されるので、触媒温度検出手段(19)が、可燃性ガス生成触媒(8)の平均温度から大幅に低い温度を可燃性ガス生成触媒(8)の検出温度として検出してしまうおそれがなく、これに起因する空気(10)や液体燃料(11)の過剰な供給が防止され、可燃性ガス触媒(8)が温度許容値を超える高温状態になる不具合がなくなり、傾斜時の触媒担体の溶損、若しくは触媒の劣化を抑制することができる。
また、可燃性ガス生成触媒(8)の上寄り部は、上下方向に伸びる中心軸線(8a)と直交する断面の面積を比較的大きくすることができ、傾斜時に、可燃性ガス(2)の流れが停滞しても、可燃性ガス(2)の一部は可燃性ガス生成触媒(8)の上寄り部に拡散し、熱の分散が図られるので、可燃性ガス触媒(8)が温度許容値を超える高温状態になる不具合がなくなり、この点でも傾斜時の触媒担体の溶損、若しくは触媒の劣化を抑制することができる。
前記のように、傾斜時の触媒反応熱による可燃性ガス生成触媒(8)の温度分布の不均一化が是正されるので、触媒温度検出手段(19)が、可燃性ガス生成触媒(8)の平均温度から大幅に離れた温度を可燃性ガス生成触媒(8)の検出温度として検出してしまうおそれがなく、これに起因する空気(10)や液体燃料(11)の過剰または過少な供給が防止され、生成される可燃性ガス(2)の成分が非傾斜時と大きく相違する不具合がなくなり、傾斜時でもDPF(3)の再生ができる。
《効果》 傾斜時の可燃性ガス生成触媒の熱損傷を抑制することができる。
図1または図3に例示するように、請求項1に記載されたディーゼルエンジンの排気処理装置に用いる下窄まり形状の可燃性ガス生成触媒であって、触媒温度検出手段(19)の進入部(19a)を設け、触媒入口部(13)側の上寄り部よりも触媒出口部(8b)側の下寄り部の方が、上下方向に伸びる中心軸線(8a)と直交する断面の面積が小さくなるようにしたので、可燃性ガス生成触媒(8)の下寄り部の上記断面の面積を比較的小さくすることができ、傾斜時に、可燃性ガス生成触媒(8)の下寄り部を通過する液体燃料(11)が、中心部から近い外周部と中心部とを偏りなく通過し、触媒反応熱による可燃性ガス生成触媒(8)の温度分布の不均一化が是正され、傾斜時の可燃性ガス生成触媒(8)の熱損傷を抑制することができる。
前記のように、傾斜時の触媒反応熱による可燃性ガス生成触媒(8)の温度分布の不均一化が是正されるので、触媒温度検出手段(19)が、可燃性ガス生成触媒(8)の平均温度から大幅に低い温度を可燃性ガス生成触媒(8)の検出温度として検出してしまうおそれがなく、これに起因する空気(10)や液体燃料(11)の過剰な供給が防止され、可燃性ガス触媒(8)が温度許容値を超える高温状態になる不具合がなく、傾斜時の触媒担体の溶損、若しくは触媒の劣化を抑制することができる。
また、可燃性ガス生成触媒(8)の上寄り部は、上下方向に伸びる中心軸線(8a)と直交する断面の面積を比較的大きくすることができ、傾斜時に、可燃性ガス(2)の流れが停滞しても、可燃性ガス(2)の一部は可燃性ガス生成触媒(8)の上寄り部に拡散し、熱の分散が図られるので、可燃性ガス触媒(8)が温度許容値を超える高温状態になる不具合がなくなり、この点でも傾斜時の触媒担体の溶損、若しくは触媒の劣化を抑制することができる。
前記のように、傾斜時の触媒反応熱による可燃性ガス生成触媒(8)の温度分布の不均一化が是正されるので、触媒温度検出手段(19)が、可燃性ガス生成触媒(8)の平均温度から大幅に離れた温度を可燃性ガス生成触媒(8)の検出温度として検出してしまうおそれがなく、これに起因する空気(10)や液体燃料(11)の過剰または過少な供給が防止され、生成される可燃性ガス(2)の成分が非傾斜時と大きく相違する不具合がなく、傾斜時でもDPF(3)の再生ができる。
請求項3〜請求項7に係る発明は、いずれも請求項2に係る発明の効果に加え、次の効果を奏する。
《効果》 可燃性ガス生成触媒を容易かつ安価に製造することができる。
この排気処理装置の概要は、次の通りである。
図2に示すように、可燃性ガス生成器(1)で可燃性ガス(2)を生成させ、この可燃性ガス(2)をDPF(3)の上流で可燃性ガス放出口(4)から排気通路(5)に放出し、この可燃性ガス(2)を排気(6)中の酸素で燃焼させ、その燃焼熱で排気(6)を昇温させ、排気(6)の熱でDPF(3)に溜まったPMを燃焼除去することができるようにしている。
このため、排気(6)の温度が低い場合にも、可燃性ガス(2)で排気(6)を昇温させ、DPF(3)に溜まったPMを燃焼除去し、DPF(3)を再生させることができる。
排気通路(5)はディーゼルエンジンの排気経路の途中に配置されている。
DPF(3)の上流には、酸化触媒(16)を配置しており、可燃性ガス(2)は酸化触媒(16)により排気(6)中の酸素で触媒燃焼される。酸化触媒(16)はDOCである。
DPFは、ディーゼル・パティキュレート・フィルタの略称である。PMは粒子状物質の略称、DOCはディーゼル酸化触媒の略称である。
これにより、可燃性ガス生成触媒(8)の下寄り部は、上下方向に伸びる中心軸線(8a)と直交する断面の面積を比較的小さくすることができ、傾斜時に、可燃性ガス生成触媒(8)の下寄り部を通過する液体燃料(11)が、中心部から近い外周部と中心部とを偏りなく通過し、触媒反応熱による可燃性ガス生成触媒(8)の温度分布の不均一化が是正され、可燃性ガス生成触媒(8)の熱損傷を抑制することができる。
可燃性ガス生成触媒室(7)と可燃性ガス生成触媒(8)とは、下窄まりの円錐台形状となっている。
可燃性ガス生成触媒(8)の外周面(14)と可燃性ガス生成器(1)の内周面(15)との間には、断熱材(34)を介在させている。
可燃性ガス生成触媒(8)は、触媒担体に触媒成分を担持させたもので、触媒担体には鉄クロム線を布状に織ったもの、またはコイル状に加工したものを円錐台形状に成型して用い、触媒成分にはロジウムを用いている。
触媒入口部(13)にヒータ(28)を差し込み、このヒータ(28)をエンジンECU(21)に連携させている。
図2に示すように、エンジンECU(22)は、PM堆積量推定手段(23)とPM再生制御手段(24)とを備えている。
PM堆積量推定手段(23)は、エンジンECU(22)の所定の演算部であり、エンジン負荷、エンジン回転数、DPF上流側排気温度センサ(25)による検出排気温度、DPF上流側排気圧センサ(26)によるDPF(3)上流側の排気圧、差圧センサ(27)によるDPF(3)の上流と下流の差圧等に基づいて、予め実験的に求めたマップデータからPM堆積量を推定する。
可燃性ガス(2)の生成開始の初期には、所定時間、ヒータ(28)を発熱させるが、可燃性ガス(2)の生成が開始されると、可燃性ガス生成触媒(8)は発熱反応によって温度が上昇するため、可燃性ガス(2)の生成が開始されてから所定時間経過した場合には、タイマによりヒータ(28)の発熱を停止する。
可燃性ガス(2)には、必要に応じ、二次空気(33)を供給する。
PM再生制御手段(24)には、DPF(3)の出口側排気温度センサ(32)を連携させ、DPF(3)の出口側温度が異常に高い場合には、緊急に再生を中止する。
図1に示すように、可燃性ガス生成触媒(8)には触媒温度検出手段(19)の進入部(19a)を設けている。
可燃性ガス生成触媒(8)は、下窄まり形状とし、触媒入口部(13)側の上寄り部よりも触媒出口部(8b)側の下寄り部の方が、上下方向に伸びる中心軸線(8a)と直交する断面の面積が小さくなるようにしている。
触媒温度検出手段(19)の進入部(19a)は、可燃性ガス生成触媒(8)の径方向に向けた進入孔であり、ここに触媒温度検出手段(19)の温度検出部(20)を進入させている。
可燃性ガス生成触媒(8)の具体的形状は、円錐台形状である。
可燃性ガス生成触媒(8)の形状は、下窄まり形状であればよく、円錐台形状にではなく、多角錐台形状であってもよい。多角錐台形状としては、三角錐台形状、四角錐台形状等がある。
可燃性ガス生成触媒(8)の形状は、加工容易性、傾斜時の温度分布の均一性等の観点からは、円錐台形状が最も望ましい。
可燃性ガス生成触媒(8)は、一体構造で構成されている。可燃性ガス生成触媒(8)を一体構造で構成した場合には、部品点数を削減でき、組み立て性を大幅に改善できる利点がある。
可燃性ガス生成触媒(8)は、複数個に分割可能に構成されているものであってもよい。例えば、上下に分割可能な複数個の触媒部分で構成しても良く、上下に伸びる中心軸線(8a)に沿って縦に2分割された触媒部分で構成しても良い。
触媒担体の素材は特に限定されるものではなく、セラミックや金属を用いることができるが、鉄系またはニッケル系の線状金属で成形したものを用いるのが望ましく、成型性、耐久性、製造容易性、コスト低廉等の観点からは、耐熱性の線状金属を布状に編み込んだものを用いるのが望ましい。
触媒成分としては、前記の通りロジウムを単独で用いている。
触媒成分としては、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウムのうち、少なくとも一種のものを含んでいるものが望ましく、これらを単独または複数用いることができるが、ロジウムを単独で用いるのが最も望ましい。
この第2実施形態で用いる可燃性ガス生成触媒(8)も、第1実施形態で用いるものと同様、下窄まり形状であるが、円柱形状の触媒部分を上下方向に階段状に重ねた形状としている。
可燃性ガス生成触媒(8)の形状は、下窄まり形状であればよく、触媒部分の形状は、円柱形状ではなく、多角柱形状、円錐台形状、多角錐台形状であってもよい。多角柱形状としては、三角柱形状、四角柱形状等がある。多角錐台形状としては、三角錐台形状、四角錐台形状等がある。
可燃性ガス生成触媒(8)の円柱形状の複数個の触媒部分は、相互に分離可能であり、可燃性ガス生成触媒(8)は複数個に分割可能に構成されている。
図4に第2実施形態の実験方法と実験結果を示す。また、図5に比較例の実験方法と実験結果を示す。
第2実施形態の実験では、図4(A)(B)に示すように、可燃性ガス生成触媒(8)の高い位置で、周方向90°毎に前後左右に触媒温度検出手段(19)を配置し、この可燃性ガス生成器(1)に、空気を20L/min、液体燃料となる軽油を20mL/minの流量で供給し、可燃性ガスを生成させ、可燃性ガス生成器(1)を傾斜させない場合と、傾斜させた場合のそれぞれについて、触媒温度検出手段(19)で可燃性ガス生成触媒(8)の4箇所の温度を測定した。
比較例の実験でも、第2実施形態の実験例と同様、図5(A)(B)に示すように、可燃性ガス生成触媒(108)の高い位置で、周方向90°毎に前後左右に触媒温度検出手段(119)を配置し、この可燃性ガス生成器(101)に、空気を20L/min、液体燃料となる軽油を20mL/minの流量で供給し、可燃性ガスを生成させ、可燃性ガス生成器(101)を傾斜させない場合と、傾斜させた場合のそれぞれについて、触媒温度検出手段(119)で可燃性ガス生成触媒(108)の4箇所の温度を測定した。この比較例の可燃性ガス生成触媒(108)は円柱形状である。
これに対し、第2実施形態では、可燃性ガス生成器(1)を傾斜させない場合、すなわち図4(C)に示すように、可燃性ガス生成触媒(8)の中心軸線(8a)を垂直(0°)にした場合、図4(D)に示すように、4箇所の触媒温度検出手段(19)によって検出された最高温度と最低温度の温度偏差は159°Cで、可燃性ガス生成器(1)を傾斜した場合、すなわち図4(C)に示すように、可燃性ガス生成触媒(8)の中心軸線(8a)を右側に30°傾けた場合、図4(D)に示すように、4箇所の触媒温度検出手段(19)によって検出された最高温度と最低温度の温度偏差は100°Cに抑えられた。
これにより、下窄まり形状の可燃性ガス生成触媒(8)を用いた可燃性ガス生成器(1)では、傾斜時の可燃性ガス生成触媒(8)の温度分布の均一化が改善されることが確認された。
(2) 可燃性ガス
(3) DPF
(4) 可燃性ガス放出口
(5) 排気通路
(6) 排気
(7) 可燃性ガス生成触媒室
(8) 可燃性ガス生成触媒
(8b) 触媒出口部
(9) 空燃混合室
(10) 空気
(11) 液体燃料
(12) 空燃混合物
(13) 触媒入口部
(17) 空気供給手段
(18) 液体燃料供給手段
(19) 触媒温度検出手段
(21) 制御手段
Claims (7)
- 可燃性ガス生成器(1)で可燃性ガス(2)を生成させ、この可燃性ガス(2)をDPF(3)の上流で可燃性ガス放出口(4)から排気通路(5)に放出し、この可燃性ガス(2)を排気(6)中の酸素で燃焼させ、その燃焼熱で排気(6)を昇温させ、排気(6)の熱でDPF(3)に溜まったPMを燃焼除去することができるようにした、ディーゼルエンジンの排気処理装置において、
可燃性ガス生成器(1)に可燃性ガス生成触媒室(7)を設け、この可燃性ガス生成触媒室(7)に可燃性ガス生成触媒(8)を収容し、この可燃性ガス生成触媒(8)内に触媒温度検出手段(19)を進入させ、この触媒温度検出手段(19)を制御手段(21)を介して空気供給手段(17)と液体燃料供給手段(18)とに連携させ、可燃性ガス生成器(1)の上部に空燃混合室(9)を形成し、触媒温度検出手段(19)で検出した可燃性ガス生成触媒(8)の温度に基づいて、制御手段(21)が空気供給手段(17)と液体燃料供給手段(18)とを制御して、空燃混合室(9)に所定量の空気(10)と液体燃料(11)とを供給することにより、空燃混合室(9)で空気(10)と液体燃料(11)との空燃混合物(12)を形成し、この空燃混合物(12)を空燃混合室(9)の下端部から可燃性ガス生成触媒(8)の上部中心の触媒入口部(13)に供給し、可燃性ガス生成触媒(8)で可燃性ガス(2)を生成させ、この可燃性ガス(2)を可燃性ガス生成触媒(8)の下端部の触媒出口部(8b)から流出させるに当たり、
可燃性ガス生成触媒室(7)と可燃性ガス生成触媒(8)とを下窄まり形状として、可燃性ガス生成触媒室(7)に可燃性ガス生成触媒(8)を嵌入させた、ことを特徴とするディーゼルエンジンの排気処理装置。 - 請求項1に記載されたディーゼルエンジンの排気処理装置に用いる下窄まり形状の可燃性ガス生成触媒であって、触媒温度検出手段(19)の進入部(19a)を
設け、触媒入口部(13)側の上寄り部よりも触媒出口部(8b)側の下寄り部の方が、上下方向に伸びる中心軸線(8a)と直交する断面の面積が小さくなるようにした、ことを特徴とする可燃性ガス生成触媒。 - 請求項2に記載した可燃性ガス生成触媒において、
下窄まり形状が、円錐台形状、多角錐台形状のいずれかの形状である、ことを特徴とする可燃性ガス生成触媒。 - 請求項2に記載した可燃性ガス生成触媒において、
下窄まり形状が、円柱形状、多角柱形状、円錐台形状、多角錐台形状のいずれかの形状の触媒部分を上下方向に階段状に重ねた形状である、ことを特徴とする可燃性ガス生成触媒。 - 請求項2から請求項4のいずれかに記載した可燃性ガス生成触媒において、
複数個に分割可能に構成されている、ことを特徴とする可燃性ガス生成触媒。 - 請求項2から請求項5のいずれかに記載した可燃性ガス生成触媒において、
触媒担体が、鉄系またはニッケル系の線状金属で成形されている、ことを特徴とする可燃性ガス生成触媒。 - 請求項2から請求項6のいずれかに記載した可燃性ガス生成触媒において、
触媒成分が、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウムのうち、少なくとも一種のものを含んでいる、ことを特徴とする可燃性ガス生成触媒。
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