JP2006204969A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気管途中に備えた酸化触媒の目詰まりを防止し得るようにした排気浄化装置を提供する。
【解決手段】ディーゼルエンジン１からの排気ガス９を導く排気管１１の途中にフロースルー型の酸化触媒１４を備えた排気浄化装置に関し、前記酸化触媒１４の前端から後方へ向けた所要範囲Ａにおける単位体積当りの貴金属量を、これより後方の一般部分Ｂにおける単位体積当りの貴金属量と比較して少なくとも２倍以上となるように部分的に増量する。
【選択図】図１

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、炭素質から成る煤分と、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となっており、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ようにしてある。

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、例えばアルミナに白金を担持させたものに適宜な量のセリウム等の希土類元素を添加して成る酸化触媒を一体的に担持させた触媒再生型のパティキュレートフィルタの採用が検討されている。

即ち、このような触媒再生型の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、斯かる触媒再生型の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別途配置し、パティキュレートの堆積量が増加してきた段階で前記酸化触媒より上流側の排気ガス中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、パティキュレートフィルタより上流側で添加された燃料（ＨＣ）が前段の酸化触媒の各セル内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り直後のパティキュレートフィルタの触媒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。

この種の燃料添加を実行するための具体的手段としては、圧縮上死点付近で行われる燃料のメイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い非着火のタイミングでポスト噴射を行うことで排出ガス中に燃料を添加するのが一般的であるが、気筒内へのメイン噴射の時期を通常より遅らせることで排気ガス中に燃料を添加するようにしても良く、更には、このように気筒内への燃料噴射を制御して排気ガス中に未燃燃料分を多く残すことにより燃料添加を行う手段だけでなく、排気管の適宜位置（排気マニホールドでも可）に燃料添加手段としてインジェクタを貫通装着し、このインジェクタにより排気ガス中に燃料を直噴して添加することも可能である。

尚、斯かるパティキュレートフィルタの強制再生に関連する先行技術文献情報としては本発明と同じ出願人による下記の特許文献１等がある。
特開２００３−１９３８２４号公報

しかしながら、この種の燃料添加によるパティキュレートフィルタの強制再生を行うに際し、都市部の路線バス等のように渋滞路ばかりを走行するような運行形態の車輌にあっては、排気温度が低い軽負荷運転が連続的に継続されることが想定されるが、前段の酸化触媒の触媒活性下限温度（約１９０℃程度）ぎりぎりの条件で燃料添加を実行すると、触媒活性があまり高くない酸化触媒の前端面に処理しきれない添加燃料のミスト分がＳＯＦ分として溜り、これにより酸化触媒の前端面がべたべたしたウェット状態となってパティキュレートの煤分が付着し易くなり、ここに堆積した煤分と前記ＳＯＦ分との混合物が不完全燃焼の末に塊状化して各セルの開口部にブリッジを形成し、このブリッジを起点として塊状化が進行することで酸化触媒の前端面に目詰まりが起こる虞れがあった。

本発明は、上述の実情に鑑みてなされたものであり、排気管途中に備えた酸化触媒の目詰まりを防止し得るようにした排気浄化装置を提供することを目的としている。

本発明は、エンジンからの排気ガスを導く排気管の途中にフロースルー型の酸化触媒を備えた排気浄化装置において、前記酸化触媒の前端から後方へ向けた所要範囲における単位体積当りの貴金属量を、これより後方の一般部分における単位体積当りの貴金属量と比較して少なくとも２倍以上となるように部分的に増量したことを特徴とするものである。

而して、このように酸化触媒の前端から後方へ向けた所要範囲における単位体積当りの貴金属量を増量すれば、この範囲における触媒活性性能が部分的に高められて、酸化触媒の前端面に付着するＳＯＦ分の酸化処理が比較的低い温度から開始され、しかも、この酸化処理により生じた反応熱により酸化触媒の前端面付近の触媒床温度が高められて相乗的な活性向上が図られるので、酸化触媒の前端面に付着したＳＯＦ分が遅滞なく酸化処理されて酸化触媒の前端面がドライ状態に保持されることになる。

この結果、排気温度が低い軽負荷運転が連続的に継続される場合であっても、酸化触媒の前端面に煤分が付着し難くなって、各セルの開口部に煤分（煤分とＳＯＦ分との混合物）のブリッジが形成されなくなり、このブリッジを起点として塊状化が進行する不具合が未然に回避されて酸化触媒の前端面における目詰まりが防止されることになる。

また、酸化触媒の目詰まりを防止するにあたり、酸化触媒の全体に対し単位体積当りの貴金属量を均等に増量させるのではなく、酸化触媒の前端から後方へ向けた所要範囲における単位体積当りの貴金属量を部分的に増量させているので、酸化触媒の原料コストアップが軽微なものとなる。

尚、酸化触媒の前端から後方へ向けた所要範囲における単位体積当りの貴金属量を部分的に増量するだけで目詰まりを防止し得ることに関しては、本発明者らによる鋭意研究を経て既に確認済みの事項となっており、また、その際に、この範囲より後方の一般部分における単位体積当りの貴金属量と比較して少なくとも２倍以上に増量しなければ有効な目詰まり防止効果が得られないことも本発明者らの検証実験による知見として得られている。

更に、本発明において、単位体積当りの貴金属量を部分的に増量する範囲は、酸化触媒の全長に対し約１／１０程度の長さ分に相当する範囲に留めることが好ましい。なぜなら、酸化触媒の前端面における目詰まりを防止する上では、この程度の部分的な範囲における貴金属量の増加で十分であり、これ以上の範囲に拡張しても目詰まり防止効果に格別な変化はなく、いたずらに原料コストが上がるばかりであることが本発明者らにより確認されているからである。

また、本発明においては、酸化触媒より上流側に排気ガス中に燃料を添加する燃料添加手段を備えたものに適用することが好ましく、更には、その燃料添加手段としてエンジンの各気筒に燃料を噴射する燃料噴射装置を採用し、気筒内への燃料噴射を制御して排気ガス中に未燃燃料分を多く残すことで燃料添加を実行するように構成しても良い。

即ち、酸化触媒の上流側で排出ガス中への燃料添加を行い、その添加燃料を酸化触媒上で酸化反応させて反応熱により排気ガスの昇温を図るような使用形態の場合、酸化触媒の前端面に前記添加燃料のミスト分がＳＯＦ分として溜り易いため、このような使用形態において特に有効な目詰まり防止手段となる。

上記した本発明の排気浄化装置によれば、排気温度が低い軽負荷運転が連続的に継続される場合であっても、排気管途中に備えた酸化触媒の目詰まりを確実に防止することができ、しかも、その目詰まりを防止するのに要する単位体積当たりの貴金属量を必要最小限の増量に留めて酸化触媒の原料コストアップを著しく抑制することができるという優れた効果を奏し得る。

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４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。

更に、この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を駆動した排気ガス９が排気管１１を介し車外へ排出されるようにしてある。

そして、この排気管１１の途中には、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内における後段には、酸化触媒を一体的に担持して成る触媒再生型のパティキュレートフィルタ１３が収容されており、その構造を図２により模式的に示す如く、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となっており、格子状に区画された各流路１３ａ（セル）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１３ａ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１３ａを区画する多孔質薄壁１３ｂ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。

また、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の直前位置には、図３に拡大して示す如きハニカム構造を有するフロースルー型の酸化触媒１４が収容されており、この酸化触媒１４には、前後方向に開通する多数の流路１４ａ（セル）がセル壁１４ｂにより画定されている。

そして、図４に示す如く、この酸化触媒１４の全長Ｌ₁に対し約１／１０程度の長さ分Ｌ₂に相当する該酸化触媒１４の前端から後方へ向けた所要範囲Ａでは、これより後方の一般部分Ｂにおける単位体積当りの貴金属量（Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ等）と比較して少なくとも２倍以上となるように単位体積当りの貴金属量が部分的に増量されている。

また、ここに図示している例においては、エンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を成す制御装置１５に、アクセル開度をディーゼルエンジン１の負荷として検出するアクセルセンサ１６（負荷センサ）からのアクセル開度信号１６ａと、ディーゼルエンジン１の機関回転数を検出する回転センサ１７からの回転数信号１７ａとが入力されるようになっており、これらのアクセル開度信号１６ａ及び回転数信号１７ａに基づき、ディーゼルエンジン１の各気筒８に燃料を噴射する燃料噴射装置１８に向け燃料噴射信号１８ａが出力されるようになっている。

ここで、前記燃料噴射装置１８は、各気筒８毎に装備される複数のインジェクタ１９により構成されており、これら各インジェクタ１９の電磁弁が前記燃料噴射信号１８ａにより適宜に開弁制御されて燃料の噴射タイミング及び噴射量が適切に制御されるようになっている。

他方、前記制御装置１５では、アクセル開度信号１６ａ及び回転数信号１７ａに基づき通常モードの燃料噴射信号１８ａが決定されるようになっている一方、パティキュレートフィルタ１３の強制再生を行う必要が生じた際に、通常モードから再生モードに切り替わり、圧縮上死点（クランク角０゜）付近で行われる燃料のメイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い非着火のタイミング（開始時期がクランク角９０゜〜１２０゜の範囲）でポスト噴射を行うような燃料噴射信号１８ａが決定されるようになっている。

つまり、このようにメイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い非着火のタイミングでポスト噴射が行われると、このポスト噴射により排気ガス９中に未燃の燃料（主としてＨＣ：炭化水素）が添加されることになり、この未燃の燃料により生じたＨＣガスがパティキュレートフィルタ１３表面の酸化触媒上で酸化反応し、その反応熱により触媒床温度が上昇してパティキュレートフィルタ１３内のパティキュレートが燃焼除去されることになる。

尚、図１中におけるフィルタケース１２は、パティキュレートフィルタ１３及びその前段の酸化触媒１４の車輌への搭載性を向上する目的でマフラ外筒を兼ねたものとなっており、その前後位置にサイレンサ２０，２１を付帯装備したものとなっている。

而して、パティキュレートフィルタ１３の強制再生を行う必要が生じた際に、制御装置１５にて再生モードが選択されて、制御装置１５により燃料の噴射パターンが通常モードから再生モードに切り替えられ、メイン噴射に続き圧縮上死点より遅い非着火のタイミングでポスト噴射を行う噴射パターンが採用される結果、該ポスト噴射により排気ガス９中に未燃のまま添加された燃料が熱分解により高濃度のＨＣガスとなって酸化触媒１４で酸化反応することにより反応熱を生じ、この反応熱により酸化触媒１４を通過する排気ガス９が大幅に昇温され、この酸化触媒１４を経て昇温した排気ガス９がパティキュレートフィルタ１３に導入されることにより該パティキュレートフィルタ１３の全域が高温化され、これによりパティキュレートが良好に燃焼除去されてパティキュレートフィルタ１３の再生が図られることになる。

この際、特に排気温度が低い軽負荷運転等では、酸化触媒１４の前端面に添加燃料のミスト分がＳＯＦ分として付着し易くなるが、該酸化触媒１４においては、その前端から後方へ向けた所要範囲Ａにおける単位体積当りの貴金属量が部分的に増量されているので、この範囲Ａにおける触媒活性性能が部分的に高められて、酸化触媒１４の前端面に付着するＳＯＦ分の酸化処理が比較的低い温度から開始され、しかも、この酸化処理により生じた反応熱により酸化触媒１４の前端面付近の触媒床温度が高められて相乗的な活性向上が図られるので、強制再生時における酸化触媒１４の前端面付近のヒートアップ性能が大幅に高められ、酸化触媒１４の前端面に付着したＳＯＦ分が遅滞なく酸化処理されて酸化触媒１４の前端面がドライ状態に保持されることになる。

この結果、排気温度が低い軽負荷運転が連続的に継続される場合であっても、酸化触媒１４の前端面に煤分が付着し難くなって、各セル１４ａの開口部に煤分（煤分とＳＯＦ分との混合物）のブリッジが形成されなくなり、このブリッジを起点として塊状化が進行する不具合が未然に回避されて酸化触媒１４の前端面における目詰まりが防止されることになる。

また、酸化触媒１４の目詰まりを防止するにあたり、酸化触媒１４の全体に対し単位体積当りの貴金属量を均等に増量させるのではなく、酸化触媒１４の前端から後方へ向けた所要範囲Ａにおける単位体積当りの貴金属量を部分的に増量させているので、酸化触媒１４の原料コストアップが軽微なものとなる。

尚、酸化触媒１４の前端から後方へ向けた所要範囲Ａにおける単位体積当りの貴金属量を部分的に増量するだけで目詰まりを防止し得ることに関しては、本発明者らによる鋭意研究を経て既に確認済みの事項となっており、また、その際に、この範囲より後方の一般部分Ｂにおける単位体積当りの貴金属量と比較して少なくとも２倍以上に増量しなければ有効な目詰まり防止効果が得られないことも本発明者らの検証実験による知見として得られている。

また、単位体積当りの貴金属量を部分的に増量する範囲Ａを、酸化触媒１４の全長Ｌ₁に対し約１／１０程度の長さ分Ｌ₂に相当する範囲としているのは、酸化触媒１４の前端面における目詰まりを防止する上では、この程度の部分的な範囲Ａにおける貴金属量の増加で十分であり、これ以上の範囲に拡張しても目詰まり防止効果に格別な変化はなく、いたずらに原料コストが上がるばかりであることが本発明者らにより確認されているからである。

従って、上記形態例によれば、排気温度が低い軽負荷運転が連続的に継続される場合であっても、パティキュレートフィルタ１３の前段に装備される酸化触媒１４の目詰まりを確実に防止することができ、しかも、その目詰まりを防止するのに要する単位体積当たりの貴金属量を必要最小限の増量に留めて酸化触媒１４の原料コストアップを著しく抑制することができる。

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、先の形態例においては、燃料添加手段として燃料噴射装置を採用し、圧縮上死点付近で行われる燃料のメイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い非着火のタイミングでポスト噴射を行うことで排気ガス中に燃料を添加するようにしているが、気筒内へのメイン噴射の時期を通常より遅らせることで排気ガス中に燃料を添加するようにしても良く、更には、このように気筒内への燃料噴射を制御して排気ガス中に未燃燃料分を多く残すことにより燃料添加を行う手段だけでなく、排気管の適宜位置（排気マニホールドでも可）に燃料添加手段としてインジェクタを貫通装着し、このインジェクタにより排気ガス中に燃料を直噴して添加するようにしても良いこと、更に、酸化触媒の後段には、必ずしもパティキュレートフィルタが装備されていなくても良く、また、パティキュレートフィルタ以外の後処理装置が装備されていても良いこと、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概略図である。 パティキュレートフィルタの構造を模式的に示す断面図である。 酸化触媒の構造を一部を切り欠いて示す斜視図である。 酸化触媒の単位体積当たりの貴金属量を増量した範囲を示す斜視図である。

符号の説明

１ ディーゼルエンジン（エンジン）
８ 気筒
９ 排気ガス
１１ 排気管
１４ 酸化触媒
１８ 燃料噴射装置（燃料添加手段）
Ａ 所要範囲
Ｂ 一般部分
Ｌ₁ 酸化触媒の全長
Ｌ₂ 約１／１０程度の長さ分

Claims (4)

1. エンジンからの排気ガスを導く排気管の途中にフロースルー型の酸化触媒を備えた排気浄化装置において、前記酸化触媒の前端から後方へ向けた所要範囲における単位体積当りの貴金属量を、これより後方の一般部分における単位体積当りの貴金属量と比較して少なくとも２倍以上となるように部分的に増量したことを特徴とする排気浄化装置。
2. 単位体積当りの貴金属量を部分的に増量する範囲を、酸化触媒の全長に対し約１／１０程度の長さ分に相当する範囲に留めたことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
3. 酸化触媒より上流側に排気ガス中に燃料を添加する燃料添加手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の排気浄化装置。
4. エンジンの各気筒に燃料を噴射する燃料噴射装置を燃料添加手段として採用し、気筒内への燃料噴射を制御して排気ガス中に未燃燃料分を多く残すことで燃料添加を実行するように構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の排気浄化装置。

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