JP2005291062A - フィルタ装置及びこれを備えた排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 過昇温や燃費の低下を防止しながら排気ガスの浄化を行えるフィルタ装置及びこれを備えた排気ガス浄化装置を提供。
【解決手段】 本発明のフィルタ装置２２０は、内燃機関２の排気通路Ｒ上に設けられ、その表面に酸化機能を有する触媒２２１を担持したフィルタ基材２２を有し、触媒２２１の表面に排気ガス中のパティキュレートＰＭの燃焼に寄与しない耐熱性酸化物２２をコーディングした。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ディーゼルエンジンから排出される排気ガスの浄化するフィルタ装置と、これを備えた排気ガス浄化装置に関する。

内燃機関であるディーゼルエンジンの排ガス通路上には排ガス中に混入されているカーボン微粒子等を核とするパティキュレートを大気中に放出することなく捕集するためにパティキュレートフィルタ（以下「ＤＰＦ」と記す）が装着されている。ＤＰＦによるパティキュレート捕集量が増加すると、目詰まりや排気圧が上昇するため、定期的にフィルタを燃焼してパティキュレートを焼却してＤＰＦ再生の必要がある。

一般にパティキュレートは６００℃程度の高温で酸素により酸化処理可能であるので、ＤＰＦ再生には、排気温度あるいはフィルタ温度を６００℃程度まで高めて強制的に燃焼させる強制再生と、ＤＰＦの上流に酸化触媒を配置して、酸化触媒で生成されるＮＯ_２によりＤＰＦに捕集されて堆積したパティキュレートを連続的に燃焼させる連続再生とがある。強制再生時には、排気ガス中に燃料などのＨＣを含む添加剤を混合させて酸化触媒上で燃焼させ、そのときの熱と酸素を利用してＤＰＦを加熱してパティキュレートを燃焼させてＤＰＦの強制再生を行っている。

ここで、連続再生時と強制再生持の反応について下記（１）式から（４）式を用いて説明する。
連続再生の反応
酸化触媒 ２ＮＯ＋Ｏ_２→ ２ＮＯ_２ ・・・（１）
ＤＰＦ ＰＭ＋ＮＯ_２→ ＣＯ＋ＮＯ ・・・（２）
強制再生時の反応
酸化触媒 燃料（ＨＣ）＋Ｏ_２ → ＣＯ_２＋Ｈ_２Ｏ＋熱 ・・・（３）
ＤＰＦ ＰＭ＋Ｏ_２ → ＣＯＸ ・・・（４）
ＤＰＦには、酸化機能を有する触媒を担持したＣＳＦ（Catalyzed Soot Filter）や、ＮＯｘ触媒を担持したフィルタを用いることがある。ＣＳＦを用いると、担持されている酸化触媒の機能によりＮＯ_２が生成するため、触媒を担持しないフィルタに対して連続再生性能が向上する。また、ＮＯｘ触媒を担持したフィルタの場合、ＮＯｘ触媒とフィルタとを個別に設ける場合よりも小型な浄化装置となる。
渋滞などの走行が多い都市走行においては、連続再生が成立するほど排気ガス温度が高くならないので、フィルタに捕集されたパティキュレートを除去するには強制再生が必要となる。
特許文献１には、触媒担持体に担持したＨＣ吸着材層に耐火性無機酸化物層を積層した触媒が記載されている。

特開２００３−１３５９７０公報

ＤＰＦには、排気ガス中のパティキュレートが捕集されるが、この捕集量が多い状態で強制再生を実行すると、パティキュレートが自己着火してフィルタの温度をコントロールすることが困難な過昇温となることがある。過昇温状態となると、フィル基材の耐熱限界を超える温度までフィルタ温度が上昇してしまうことがあり、フィルタの破損につながってしまう。過昇温が発生しない、パティキュレートの捕集量の限界値を「堆積量限界値」という。

酸化触媒、ＮＯｘ触媒などをフィルタ基材に担持させたＤＰＦの場合、パティキュレートの燃焼速度が増大し、この場合もパティキュレートが自己着火し易くなり、堆積量限界値が大幅に低下してしまう。
このため、上記のような各種触媒を担持したフィルタ部材をＤＰＦとして使用すると、頻繁に強制再生をしなければならず、燃費の低下要因となる。また、仮に燃費の問題をクリアして触媒を担持したフィルタ部材をＤＰＦとして使用する場合でも、パティキュレートの堆積量を精度良く検出できなければ、過昇温の発生は否めない。

特許文献１には、触媒担持体に担持したＨＣ吸着材層に耐火性無機酸化物層を積層した触媒が記載されているが、ここでの耐火性無機酸化物層の機能は、ＨＣ吸着剤層で保持した炭化水素（ＨＣ）の離脱速度や離脱量を抑制するためのものであり、過昇温や燃費の低下を防止することやパティキュレートの燃焼時間を抑制するものではない。
本発明は、過昇温や燃費の低下を防止しながら排気ガスの浄化を行えるフィルタ装置及びこれを備えた排気ガス浄化装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明にかかるフィルタ装置は、内燃機関の排気通路に設けられたフィルタ基材の表面に担持した酸化機能を有する触媒の表面に、排気ガス中のパティキュレートの燃焼に寄与しない耐熱性酸化物をコーディングしたことを特徴としている。

本発明にかかる、内燃機関の排気通路に設けられ、排気通路を流れる排気ガス中のパティキュレートを捕集するフィルタ装置と、このフィルタ装置よりも上流側の排気通路内に炭化水素を含む添加剤を供給する供給装置とを備えた排気ガス浄化装置は、フィルタ装置として、フィルタ基材の表面に担持した酸化機能を有する触媒の表面に排気ガス中のパティキュレートの燃焼に寄与しない耐熱性酸化物をコーディングした触媒装置を用いることを特徴としている。

これら酸化機能を有する触媒は、内燃機関のリーン運転時においてＮＯｘを吸蔵し、リッチ運転時においてＮＯｘを排出して還元するＮＯｘ吸蔵型触媒や、ユリアまたはアンモニアを還元剤としてＮＯｘを還元する選択還元型（ＳＲＣ）触媒であってもよい。フィルタ装置としては、フィルタ基材よりも上流側に酸化触媒が配設されたものであってもよい。

本発明によれば、内燃機関の排気通路上に設けられたフィルタ基材の表面に担持した酸化機能を有する触媒の表面に、排気ガス中のパティキュレートの燃焼に寄与しない耐熱性酸化物をコーディングしたので、パティキュレートと触媒との接触が回避されることになり、触媒担持フィルタであっても、高温時に酸素によるパティキュレートの燃焼が促進されることがない。すなわち、パティキュレートの燃焼速度が抑制されることで、パティキュレートの自己着火が抑えられ、過昇温を低減でき、触媒を担持したフィルタ装置であっても強制再生の実施回数を低減でき、燃費とのフィルタ基材の耐久性が向上する。
本発明によれば、フィルタ基材に酸化機能を持たせているので、このフィルタ上の触媒作用により生成されるＮＯ_２が耐熱性酸化物層を通過してパティキュレートと接触するため、常用温度域においてパティキュレートを連続的に燃焼させることができ、燃費とのフィルタ基材の耐久性の向上を図りながら、連続再生性能を向上することができる。
本発明によれば、フィルタ基材にリーン運転時においてＮＯｘを吸蔵しリッチ運転時においてＮＯｘを排出して還元するＮＯｘ吸蔵型触媒、あるいはユリアまたはアンモニアを還元剤としてＮＯｘを還元する触媒を担持させることで、燃費とのフィルタ基材の耐久性の向上を図りながら、ＮＯｘ浄化性能を有する小型の装置となる。

図１は、本発明の一実施形態としての排気ガス浄化装置１を示す。排気ガス浄化装置１は、内燃機関としてのディーゼルエンジン（以後単にエンジンと記す）２から排出される排気ガスを浄化するものである。排気ガス浄化装置１は、排気通路Ｒに設けられ、この排気通路Ｒを流れる排気ガス中のパティキュレートを捕集するフィルタ装置２２０と、フィルタ装置２２０の上流側に配置される触媒装置としての酸化触媒２１と、酸化触媒２１よりも上流側の排気通路内に添加剤としての炭化水素（ＨＣ）を含む燃料を供給する供給装置として噴射ノズル３０とを備えている。

排気通路Ｒは、エンジン２の燃焼室３に連通する排気マニホールド４と、排気マニホールド４と接続された排気管５とから構成されている。エンジン２は直列４気筒エンジンであり、各気筒にはインジェクタ８が設けられている。各インジェクタ８にはこれに燃料を供給する燃料供給部９と、各インジェクタ８により各燃焼室３に燃料噴射を行う燃料噴射部１１を備え、これらはエンジンＥＣＵ１２により駆動制御される。

燃料供給部９は、エンジン２により駆動される高圧燃料ポンプ１３の高圧燃料をエンジンＥＣＵ１２内の燃圧制御部１２１で制御される燃圧調整部１４で定圧化した上でコモンレール１５に導き、コモンレール１５より分岐して延出する燃料管路１６を介して各インジェクタ８に供給する。インジェクタ８が備える電磁バルブ１７は噴射制御部１２２と接続されている。

エンジンＥＣＵ１２は、車速Ｖｃを検出する車速センサ７と、エンジン２のアクセルペダル開度θａを検出するアクセルペダル開度センサ２４と、クランク角情報Δθを検出するクランク角センサ２５と、排気温度ｇｔを検出する排気温度センサ２６と、水温ｗｔを検出する水温センサ２７と、大気圧ｐａを出力する大気圧センサ２８とが接続されている。クランク角情報ΔθはエンジンＥＣＵ１２においてエンジン回転数Ｎｅの導出に用いられると共に燃料噴射時期制御に使用される。

エンジンＥＣＵ１２は燃圧制御部１２１、噴射制御部１２２を備えている。噴射制御部１２２は、エンジン回転数Ｎｅとアクセルペダル踏込量ａに応じた基本燃料噴射量を求め、運転条件に応じた、例えば水温ｗｔや大気圧ｐａ、車速情報Ｖｃの各補正値を加えて燃料噴射量を導出する。噴射時期は、周知の基本進角値に運転条件に応じた補正を加えて導出される。その上で、演算された噴射時期及び燃料噴射量相当の出力信号を図示しないインジェクタドライバにセットし、燃料噴射部１１の電磁バルブ１７に出力し、インジェクタ８の燃料噴射を制御する。

酸化触媒２１とフィルタ装置２２０は、排気管５上に、金属筒状のケーシング１８内に、嵩高形状の金属網状体からなる支持部材１９を介して酸化触媒２１、フィルタ装置２２０の順で直列上に配置されて収納されている。酸化触媒２１は、触媒担持体２１１に触媒が担持されている。触媒担持体２１１は、セラミック製で断面がハニカム構造を成すモノリス型であり、その両端部が開口された多数の排ガス通路ｒ１が内部に形成されている。触媒成分は、この多数の排ガス通路ｒ１の通路対向壁面に担持されている。本形態では、触媒成分としては白金（Ｐｔ）を主成分とする触媒が付着されている。

フィルタ装置２２０は、表面に酸化機能を有する触媒を担持したフィルタ基材としてのＤＰＦ２２を備えている。ＤＰＦ２２は、例えば、Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉを主成分とするコージェライトなどのセラミックから成り、多数の排ガス通路ｒ２を排気通路Ｒの方向に向けて並列状に積層してなるハニカム構造体として形成されている。ここで互いに隣り合う各排ガス通路ｒ２は交互に排気路Ｒ上流側と下流側のいずれか一方がシール部２３で閉鎖されるように形成される。本形態において、ＤＰＦ２２は、排気ガス中の排気ガス中のパティキュレート（ＰＭ）を捕集する機能と、酸化する機能とを備えている。

図２に示すように、ＤＰＦ２２に担持された触媒の層（以下「酸化触媒層」）２２１の表面には、排気ガス中のパティキュレート（ＰＭ）の燃焼に寄与しない耐熱性酸化物２２２の層（以下「耐熱酸化物層」２２２と記す）上にコーティングされている。すなわち、酸化触媒層２２１の表面には、耐熱酸化物層２２２が積層されている。図２中、白抜け矢印は排気ガスの流れを模式的に示したものである。酸化触媒層２２１の触媒としては、酸化触媒が用いられている。すなわち、ＤＰＦ２２ははＣＳＦが用いられていて、その担持された触媒表面が耐熱酸化物層２２２でコーティングされている。耐熱酸化物としては、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、チタニア（ＴｉＯ_２）等を用いる。

噴射ノズル３０は、酸化触媒２１よりも上流側の排気管５に装着されていて、図示しない燃料貯留部と配管３２を介して連結されている。配管３２には、噴射ノズル３０への燃料供給を制御する電磁バルブ３１が設けられている。この電磁バルブ３１は、エンジンＥＣＵ１２と接続されていて、噴射制御部１２３によってその開閉が制御される。噴射制御部１２３は、捕集量が所定値を超え、排気温度が所定温度以上であると、再生動作をすべく、電磁バルブ３１を開弁して噴射ノズル３０から燃料を噴射するように構成されている。排気管５内への燃料供給量は、ＤＰＦ２２への排気温度が６００℃以上になるように噴射量が規定されている。

次に、排気ガス浄化装置１の動作と浄化機能について説明する。エンジン２が始動して排気工程となると、燃焼室３から排気ガスが排出される。この排気ガスは、排気流路Ｒ、酸化触媒２１を経てＤＰＦ２２へと流入する。流入した排ガスは各排ガス通路ｒ２−１の通路対向壁ｂを透過して排気通路Ｒ下流側に出口を形成された各排ガス通路ｒ２−２に達して排出され、その際、排ガス中よりパティキュレート（ＰＭ）を濾過して捕集する。このようにして浄化された排気ガスは、大気中へと排出される。排気ガスが通過することで、酸化触媒２１及びＤＰＦ２２は、それぞれ加熱されて触媒活性温度へと連続再生が実行される。

この時、酸化触媒２１では、
２ＮＯ＋Ｏ_２→ ２ＮＯ_２ ・・・（１）の反応が起こる。
ＤＰＦ２２では、酸化触媒層（酸化機能を有する触媒）２２１が担持されているので、図３に示すように、（１）式の反応があり、酸化触媒２１で生成されたＮＯ_２と相まって、
ＰＭ＋ＮＯ_２→ ＣＯ＋ＮＯ ・・・（２）の反応が発生する。
この時、排気ガス中のパティキュレート（ＰＭ）は、酸化触媒層２２１の表面の耐熱酸化物層２２２に捕集された状態となるが、生成されるＮＯ_２は耐熱性酸化物層２２２を通過してパティキュレートと接触するため、常用温度域においてパティキュレート（ＰＭ）を連続的に燃焼させることができる。

ＤＰＦ２２でのパティキュレート（ＰＭ）捕集量が所定値を超え、排気温度センサ２６からの排気温度ｇｔが所定温度以上であると、噴射制御部１２３は、電磁バルブ３１を駆動して噴射ノズル３０から酸化触媒２１へ向かう排気ガス中に燃料を噴霧状に噴射され、強制再生が実行される。

強制再生時において、酸化触媒では、
燃料（ＨＣ）＋Ｏ_２ → ＣＯ_２＋Ｈ_２Ｏ＋熱 ・・・（３）の反応が行われると共に、
ＤＰＦ２２では、ＰＭ＋Ｏ_２→ ＣＯＸ ・・・（４）の反応が行われる。

このように、強制再生が実行された場合でも、酸化触媒層２２１の表面に耐熱性酸化物層２２２がコーディングされているので、図４に示すように、パティキュレート（ＰＭ）と酸化触媒層２２１との接触が回避され、触媒担持フィルタであるＣＳＦであっても、パティキュレート（ＰＭ）の燃焼速度が抑制される。このため、パティキュレート（ＰＭ）の自己着荷の発生が抑制されて過昇温を低減することができ、ＣＳＦ（ＤＰＦ）２２であっても強制再生の実施回数を低減でき、燃費とのフィルタ基材の耐久性を向上することができる。

本形態では、各排ガス通路ｒ２−１の内側となるＤＰＦ２２の内壁面２２ａに酸化触媒層２２１を形成し、その表面に耐熱性酸化物層２２２を積層するように形成したが、このような形態に限定されるものではない。例えば、図５に示すように、ＤＰＦ２２の外壁面２２ｂに酸化触媒層２２１を形成してもよい。この場合、酸化触媒層２２１を形成する触媒はフィルタを通過して内壁面２２ａまで染み出してしまうことが多くため、この染み出した酸化触媒２２１の表面に耐熱性酸化物層２２２をコーティングすればよい。

本形態において、酸化機能を有する触媒としては酸化触媒２２１を例示したが、これに限定されるものではなく、エンジン２のリーン運転時においてＮＯｘを吸蔵し、リッチ運転時においてＮＯｘを排出して還元するＮＯｘ吸蔵型触媒あるいはユリアまたはアンモニアを還元剤としてＮＯｘを還元する触媒であってもよい。このように、ＤＰＦ２２にＮＯｘ吸蔵型触媒やユリアまたはアンモニアを還元剤としてＮＯｘを還元する触媒を担持し、その表面に耐熱性酸化物をコーティングすることでもパティキュレート（ＰＭ）と触媒との接触を回避することができ、パティキュレート（ＰＭ）の自己着火を抑制することができる。また、ＤＰＦ２２にＮＯｘ吸蔵型触媒を担持することで、ＮＯｘ吸蔵型触媒やをＤＰＦ２２と個別に設ける場合よりも、部品点数やスペースの低減を図れ、装置を小型化することができる。

本発明の一実施形態としての排気ガス浄化装置とフィルタ装置の概略構成図である。 フィルタ装置の主要部の構成を示す拡大断面図である。 耐熱性酸化物を有するフィルタ装置のパティキュレートの捕集状態を示す拡大断面図である。 耐熱性酸化物を持たないフィルタ装置のパティキュレートの捕集状態を示す拡大断面図である。 図２に示すフィタ装置と別な形態のフィルタ装置の主要部の構成を示す拡大断面図である。

符号の説明

１ 排気ガス浄化装置
２ 内燃機関
２１ 触媒触媒
２２ フィルタ基材
２２１ 酸化機能を有する触媒
２２２ 耐熱性酸化物
Ｒ 排気通路
ＰＭ パティキュレート

Claims (5)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、その表面に酸化機能を有する触媒を担持したフィルタ基材を有し、
   前記触媒の表面に排気ガス中のパティキュレートの燃焼に寄与しない耐熱性酸化物をコーディングしたことを特徴とするフィルタ装置。
2. 請求項１記載のフィルタ装置において、
   前記酸化機能を有する触媒は、前記内燃機関のリーン運転時においてＮＯｘを吸蔵し、リッチ運転時においてＮＯｘを排出して還元するＮＯｘ吸蔵型触媒であることを特徴とするフィルタ装置。
3. 請求項１記載のフィルタ装置において、
   前記酸化機能を有する触媒は、ユリアまたはアンモニアを還元剤としてＮＯｘを還元する触媒であることを特徴とするフィルタ装置。
4. 請求項１、２または３記載のフィルタ装置において
   前記フィルタ基材よりも上流側に酸化触媒が配設されていることを特徴とするフィルタ装置。
5. 内燃機関の排気通路に設けられ、前記排気通路を流れる排気ガス中のパティキュレートを捕集するフィルタ装置と、前記フィルタ装置よりも上流側の排気通路内に燃料を供給する供給装置とを備えた排気ガス浄化装置において、
   前記フィルタ装置として、請求項１ないし４の何れかに記載のフィルタ装置を有することを特徴とする排気ガス浄化装置。
   

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