JP6790728B2

JP6790728B2 - 内燃機関の排気ガス浄化システム

Info

Publication number: JP6790728B2
Application number: JP2016212806A
Authority: JP
Inventors: 中村　圭介; 圭介中村
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2016-10-31
Filing date: 2016-10-31
Publication date: 2020-11-25
Anticipated expiration: 2036-10-31
Also published as: JP2018071454A

Description

本発明は、内燃機関の排気ガス浄化システムに関する。

ディーゼルエンジンの排気管には、フィルタで構成される微粒子捕集装置が配置される。このフィルタとして、多孔質のセラミックのハニカムの周方向に関して最も外側の流路（最外周のセル）の入口を目封じするとともに、その他の流路については入口と出口を交互に目封じしたセラミックハニカムフィルタが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

このセラミックハニカムフィルタでは、排気管に接する最外周のセルには排気ガスが流通せず、このセル内には空気層が存在することにより、最外周のセルからの放熱を抑制して、フィルタ全体を保温している。

ＷＯ２００５−０４５２０７号特許

ところで、排気管の内部は中央部よりも外側の流速が遅い。この微粒子捕集装置は、排気管内における排気ガスの速度分布の影響で、流速が遅くなる部分で温度が低下する。それ故、上記のセラミックハニカムフィルタでは、強制再生時の温度分布幅が大きいことによる耐久性の低下や、排気管径方向の外側のＰＭの残存率の高さによる強制再生の頻度の増加が問題となっていた。

本発明の目的は、微粒子捕集装置の耐久性の向上と強制再生の頻度の低下に伴う燃費の向上を図ることができる内燃機関の排気ガス浄化システムを提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の内燃機関の排気ガス浄化システムは、内燃機関の排気管にウォールフロータイプのフィルタで構成される微粒子捕集装置を備えた内燃機関の排気ガス浄化システムにおいて、前記微粒子捕集装置が、排気管の径方向中央の中央部と径方向外側の環状の外周部とを有し、前記中央部がセルの入口側および出口側のどちらか一方の端部に目封じ部材が配置されていて、前記外周部がセルの両端部に目封じ部材が配置されていて、前記中央部と前記外周部との境界が前記中央部および前記外周部のセルに目封じ部材を配置していない場合で前記外周部を流れる排気ガスの流速が前記中央部を流れる排気ガスの流速よりも遅いという排気管を流れる排気ガスの流速分布に基づいて設定されており、前記外周部の一部または全部のセルの入口側の目封じ部材を、その入口から出口側に離間して配置しているとともに、前記外周部の入口から前記入口側の目封じ部材までの間は、セルに酸化触媒が担持される。

ここで、セルとは、微粒子捕集装置のフィルタをその内部の微粒子捕集用の壁により複数に分割して排気ガスの流れ方向に形成される微小空間である。

本発明の内燃機関の排気ガス浄化システムによれば、排気ガスの流速が遅くなり、微粒子捕集装置の内部で特に低温となっていた外周部を排気ガスを流通させず、空気層を設けることで、従来技術に比して断熱による保温効果を向上できる。これにより、強制再生時の温度分布幅の低減とＰＭの除去率の向上には有利になり、微粒子捕集装置の耐久性を向上できるとともに、強制再生の頻度の低下に伴って燃費を向上できる。

特に、外周部のセルの入口側と出口側の両端部を目封じすることで、より外周部への排気ガスの流入を抑制できる。

また、微粒子捕集装置へ流入する排気ガスの流速と、その流速の排気ガスが通過する微粒子捕集装置の内部の温度は密接な関係があるので、外周部と中央部の境界を、この境界に流入する排気ガスの流速が同じ流速となるように設定することで、微粒子捕集装置の内部で特に低温となっていた領域のみを外周部として確実に区画することができる。

本発明の第１実施形態の内燃機関の排気ガス浄化システムの構成を示す図である。図１の微粒子捕集装置の構成を示す図である。図１の微粒子捕集装置の内部の各セルの状態を示す図である。粒子捕集装置のセルの両端部に目封じ部材を配置していない状態における、微粒子捕集装置の入口断面の中心から径方向外側への距離と微粒子捕集装置に流入する排気ガスの温度との関係である温度分布線を示す図である。本発明の実施形態の微粒子捕集装置の強制ＰＭ再生制御時における中央部の温度状況を示す図である。粒子捕集装置のセルの両端部に目封じ部材を配置していない比較例の微粒子捕集装置の強制ＰＭ再生制御時における中央部の温度状況を示す図である。第２実施形態の内燃機関の排気ガス浄化システムの微粒子捕集装置の内部の各セルの状態を示す図である。第３実施形態の内燃機関の排気ガス浄化システムの微粒子捕集装置の内部の各セルの状態を示す図である。

以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関の排気ガス浄化システムについて、図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、第１実施形態の内燃機関の排気ガス浄化システム１には、エンジン２の排気管１０に上流側より順に備えた酸化触媒装置１１、微粒子捕集装置１２が配設される。

酸化触媒装置１１は、ハニカム構造を形成する基材に、排気ガスＧのガス成分（炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）等）を酸化する貴金属触媒（白金（Ｐｔ）系等）（酸化触媒）が担持されて構成される。

この貴金属触媒による炭化水素及び一酸化炭素の酸化反応は発熱反応であるので、この発熱により排気ガスＧは昇温する。これを利用して、微粒子捕集装置１２の強制ＰＭ再生制御時等、高温の排気ガスＧが必要となるときには、酸化触媒装置１１より上流側の排気通路１０を通過する排気ガスＧに含まれる炭化水素の量を一時的に増加させて、この増加分の炭化水素を酸化触媒装置１１で酸化させることで、排気ガスＧを高温化している。

なお、炭化水素の量を一時的に増加させる方法としては、例えば、エンジン２の気筒（シリンダ）２ａ内で燃料のポスト噴射を行う方法や、酸化触媒装置１１より上流側の排気通路１０に燃料噴射装置（図示しない）を備えて、この燃料噴射装置から燃料を噴射する方法がある。

図２に例示するように、微粒子捕集装置１２は、その内部にフィルタを備えて構成される。このフィルタは、多孔質のセラミックのハニカムのセル（チャンネル）の入口と出口を交互に目封じしたモノリスハニカム型ウォールフロータイプのフィルタである。

この微粒子捕集装置１２は、中央部１２Ｂと外周部１２Ａとを有している。中央部１２Ｂは、基材が円柱状に形成されており、排気管１０の径方向中央で流れ方向に延在している。外周部１２Ａは、基材が円環体に形成されており、径方向外側で流れ方向に延在している。この外周部１２Ａを通過する排気ガスＧａの温度は、中央部１２Ｂを通過する排気ガスＧｂの温度より低くなる。排気管１０を流れる排気ガスＧは、排気管１０の断面中心（図２では入口断面の中心を１２Ｍとしている）から径方向外側（外壁１２Ｐ側）に向かうにつれて速度が低くなり、また、外周部１２Ａから外部への放熱があるからである。

第１実施形態の排気ガス浄化システム１が備える微粒子捕集装置１２は、図３に示すように、この中央部１２Ｂと外周部１２Ａとの境界が、排気管１０を流れる排気ガスＧの流速分布に基づいて設定される。外周部１２Ａのセルの両端部に目封じ部材２０を配置している。

この目封じ部材２０の材質は、微粒子捕集装置１２の強制ＰＭ再生制御時の高熱に耐え得るだけの耐熱性があれば、特に限定されない。また、外周部１２Ａのセルの両端部とは、セルの入口端部及び出口端部のことである。また、セルの入口（出口）端部とは、セルの入口（出口）の一端から出口（入口）側に予め設定された距離離れた地点までの領域である。

この構成によれば、従来技術に比して、排気ガスＧの流速分布の影響を考慮してより広範囲に設定された外周部１２Ａの両端部に目封じ部材２０を備えるので、微粒子捕集装置１２内部の温度ムラを低減して、微粒子捕集装置１２の耐久性を向上させることができる。

また、強制ＰＭ再生制御後の微粒子（ＰＭ）残存率を低減することができるので、微粒子捕集装置１２におけるウォールフローを有効活用することができる。その結果、微粒子捕集装置１２の再生回数を低減させることができ、燃費を向上させることができる。

また、本発明の第１実施形態では、さらに、図４に例示するように、中央部１２Ｂと外周部１２Ａとの境界が、排気ガスＧの流速分布に伴う微粒子捕集装置１２の径方向の中心から同心円状に変化する温度分布ＴＬに基づいて設定されるようにする。

微粒子捕集装置１２の温度分布ＴＬの作成方法について説明する。まず、セルの両端部に目封じ部材を配置していない微粒子捕集装置１２Ｘにおいて、排気ガスＧの流入方向に直交する微粒子捕集装置１２Ｘの断面に関して、微粒子捕集装置１２Ｘの入口断面の中心１２Ｍから径方向外側への距離ｄに応じて、微粒子捕集装置１２Ｘに流入する排気ガスＧの温度Ｔを実験等により予め測定して構成される温度分布線ＴＬを作成する。

次に、図４に示すように、この距離ｄの変化量に対する排気ガスＧの温度Ｔの変化量の絶対値α（＝｜ΔＴ／Δｄ｜）が、最も大きい値である最高値の点αｍａｘとなる位置を変曲点ＩＰ（図４に示す点（ｄ１、Ｔ１））に設定する。言い換えれば、この変曲点ＩＰは、微粒子捕集装置１２の断面中心から径方向外側に向うにつれて排気ガスＧの温度は低くなるが、この温度変化量が急激に大きくなる（急激に低温化する）点である。

そして、この変曲点ＩＰから径方向外側の領域（図４に示す変曲点ＩＰから右側の領域）を外周部１２Ａとし、径方向中央の領域（図４に示す変曲点ＩＰから左側の領域）を中央部１２Ｂとする。

つまり、セルの両端部に目封じ部材を配置していない場合で、言い換えれば、微粒子捕集装置１２Ｘで、上記の流速分布における微粒子捕集装置１２Ｘの径方向の温度分布ＴＬを測定し、中央部と外周部との境界を、この径方向の温度分布に基づいて設定する。この境界を微粒子捕集装置１２の中央部１２Ｂと外周部１２Ａとの境界とする。

この構成によれば、微粒子捕集装置１２の内部で特に低温となっていた領域を外周部１２Ａとして排気ガスＧａを流通させず空気層Ａ（図３のクロスハッチング部分）を存在させるため、従来技術に比して断熱による保温効果を向上できる。これにより、強制再生時の温度分布幅の低減とＰＭの除去率の向上には有利になり、微粒子捕集装置１２の耐久性を向上できるとともに、強制再生の頻度の低下に伴って燃費を向上できる。

以上より、本発明の第１実施形態では、図５に示すように、外周部１２Ａに近い中央部１２Ｂのセルの温度Ｔａを、強制ＰＭ再生制御時の基準温度Ｔｐを超えて、外周部１２Ａから遠い中央部１２Ｂのセルの温度Ｔｂに接近させることができるので、微粒子捕集装置１２の内部の温度ムラを低減することができる。

なお、この温度Ｔａ、Ｔｂは、微粒子捕集装置１２の前段の排気管１０で上記の各セルに対向する位置に温度センサをそれぞれ備えて、これらの温度センサにより検出した値を用いている。図６の外周部のセルの両端部を目封じていない微粒子捕集装置１２Ｘの比較例と比べると、この図５において、外周部１２Ａに近い中央部１２Ｂのセルの温度Ｔａが、再生時間が短いうちに基準温度Ｔｐに到達していることが分かる。また、基準温度Ｔｐは、微粒子捕集装置１２の強制ＰＭ再生制御時に、その内部に堆積したＰＭの大半を燃焼除去できる温度（目標温度）である。

次に、本発明の第２実施形態の内燃機関の排気ガス浄化システム１Ａについて図７を参照しながら説明する。この内燃機関の排気ガス浄化システム１Ａは、外周部１２Ａの一部または全部のセルの入口側の目封じ部材２０を、その入口から出口側に離間して配置している点と、外周部１２Ａの入口から入口側の目封じ部材２０までの間は、セルに酸化触媒（貴金属触媒）（図示しない）が担持される点を除いて、図１及び図２に示す内燃機関の排気ガス浄化システム１と同じ構成である。

より具体的には、この内燃機関の排気ガス浄化システム１Ａでは、外周部１２Ａの一部または全部のセルの入口端部の目封じ部材２０を、入口の一端より出口側に予め設定された第１距離Ｌ１離間した位置に配置するとともに、目封じ部材２０を配置したセルの入口の一端から目封じ部材２０までの間に酸化触媒を担持する。この第１距離Ｌ１については、予め実験等により設定されるが、微粒子捕集装置１２の保温性能を確保しつつ、セルの入口で排気ガスを確実に乱流して滞留させることができ、かつ、セルの入口で乱流した排気ガスがウォールフローを通過可能な値がより好ましい。

この構成によれば、上記の第１の実施の形態の内燃機関の排気ガス浄化システム１と同様に、微粒子捕集装置１２の耐久性及び燃費を向上させることができるとともに、さらに、次のような作用効果を奏することができる。

すなわち、微粒子捕集装置１２の外周部１２Ａのセルの入口の一端から目封じ部材２０までの間の領域で排気ガスＧを一時的に滞留させることができるので、この滞留領域で排気ガスＧに含まれる炭化水素や一酸化炭素等を酸化触媒により高効率で浄化させることができる。

なお、上記の排気ガスＧの滞留領域以外の微粒子捕集装置１２の領域（その他の領域）に酸化触媒を担持させてもよいが、この場合、滞留領域に担持させる酸化触媒の量をその他の領域に担持させる酸化触媒の量より多くすると、より好ましい。

次に、本発明の第３実施形態の排気ガス浄化システム１Ｂについて図８を参照しながら説明する。この内燃機関の排気ガス浄化システム１Ｂは、微粒子捕集装置１２の外周部１２Ａの一部または全部のセルの出口側の目封じ部材２０を、その出口から入口側に離間して配置している点を除いて、図７に示す第２実施形態の内燃機関の排気ガス浄化システム１Ａと同じ構成である。

より具体的には、この内燃機関の排気ガス浄化システム１Ｂでは、外周部１２Ａのセルの内、中央部１２Ｂに隣接するセルの出口の目封じ部材２０を、出口の一端より入口側に予め設定された第２距離ｌ２離間した位置に配置するとともに、目封じ部材２０を配置したセルの出口の一端から出口側の目封じ部材２０までの間に酸化触媒（図示しない）を担持する。この第２距離ｌ２については、予め実験等により設定される。
この構成によれば、上記の第１及び第２の実施の形態の内燃機関の排気ガス浄化システム１、１Ａと同様に、微粒子捕集装置１２の耐久性及び燃費を向上させることができるとともに、さらに、次のような作用効果を奏することができる。

すなわち、微粒子捕集装置１２の外周部１２Ａのセルの内、中央部１２Ｂに隣接するセルの出口の一端から目封じ部材２０までの間の領域にも排気ガスＧを通過させるとともに、この領域に酸化触媒を担持させることで、この酸化触媒により排気ガスＧに含まれる炭化水素及び一酸化炭素を酸化除去することができる。

以上より、本発明の内燃機関の排気ガス浄化システム１によれば、排気ガスＧの流速が遅くなり、微粒子捕集装置１２の内部で特に低温となっていた外周部１２Ａを排気ガスＧａを流通させず、空気層を設けることで、従来技術に比して断熱による保温効果を向上できる。

その結果、微粒子捕集装置１２の破損の可能性を低減することが可能となり、微粒子捕集装置１２の耐久性を向上することができる。また、強制ＰＭ再生制御後の微粒子（ＰＭ）残存率を低減することができるので、微粒子捕集装置１２におけるＰＭ捕集壁を有効に利用することができ、微粒子捕集装置１２の強制ＰＭ再生制御の実施間隔（インターバル）が長くなることによる燃料消費量低減に寄与することができる。さらに、微粒子捕集装置１２の外周部１２Ａに目封じ部材２０を配置する手法は低コストで行うことができる。

なお、セルの両端部に目封じ部材２０を設ける外周部１２Ａは、排気管壁に隣接する微粒子捕集装置１２の外周から径方向内側に２列以上のセルとして構成するのが、断熱による保温効果の観点から好ましい。

また、微粒子捕集装置１２の状態を取得するセンサの検知部が中央部１２Ｂに配置されるようにすると、外周部１２Ａの両端を目封じしても、微粒子捕集装置１２の状態を確実に把握することができるので好ましい。このセンサとしては、温度センサや前後差圧センサが例示される。

１、１Ａ、１Ｂ内燃機関の排気ガス浄化システム
２エンジン
１０排気管
１２微粒子捕集装置
１２Ｘセルの両端部に目封じ部材を配置していない微粒子捕集装置
１２Ａ微粒子捕集装置の外周部
１２Ｂ微粒子捕集装置の中央部
１２Ｍ微粒子捕集装置の入口断面の中心
２０目封じ部材
ＴＬ径方向温度分布
ＩＰ変曲点
Ｇ排気ガス
Ｇａ微粒子捕集装置の外周部を通過する排気ガス
Ｇｂ微粒子捕集装置の中央部を通過する排気ガス

Claims

内燃機関の排気管にウォールフロータイプのフィルタで構成される微粒子捕集装置を備えた内燃機関の排気ガス浄化システムにおいて、
前記微粒子捕集装置が、排気管の径方向中央の中央部と径方向外側の環状の外周部とを有し、前記中央部がセルの入口側および出口側のどちらか一方の端部に目封じ部材が配置されていて、前記外周部がセルの両端部に目封じ部材が配置されていて、前記中央部と前記外周部との境界が前記中央部および前記外周部のセルに目封じ部材を配置していない場合で前記外周部を流れる排気ガスの流速が前記中央部を流れる排気ガスの流速よりも遅いという排気管を流れる排気ガスの流速分布に基づいて設定されており、
前記外周部の一部または全部のセルの入口側の目封じ部材を、その入口から出口側に離間して配置しているとともに、前記外周部の入口から前記入口側の目封じ部材までの間は、セルに酸化触媒が担持される内燃機関の排気ガス浄化システム。
セルの両端部に目封じ部材を配置していない場合で、前記流速分布における微粒子捕集装置の径方向の温度分布を測定し、前記中央部と前記外周部との境界が前記中央部および前記外周部のセルに目封じ部材を配置していない場合で前記外周部の温度が前記中央部の温度よりも低いという前記温度分布に基づいて設定される請求項１に記載の内燃機関の排気ガス浄化システム。