JP2008057337A - 排気浄化装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】パティキュレートフィルタの強制再生時における白煙発生や触媒性能の低下、排気温度の低い運転領域でのＮＯ2生成を効果的に抑制する。
【解決手段】酸化触媒１６を入側に付帯装備して排気管９途中に装備されたパティキュレートフィルタ１１の上流側で排気ガス７中に燃料噴射装置１８（燃料添加手段）により燃料添加を行い、その添加燃料から生じた炭化水素が酸化触媒１６で酸化反応した時の反応熱により捕集済みパティキュレートを燃焼させてパティキュレートフィルタ１１を強制再生するようにした排気浄化装置に関し、前記パティキュレートフィルタ１１に担持させるべき貴金属触媒原料としてＰｔにＰｄを加えたものを使用し、貴金属触媒原料中に占めるＰｄの組成率を１０重量％〜３０重量％とし且つＰｔの粒子径に対するＰｄの粒子径を０．１〜２倍となるように調整する。
【選択図】図１
【解決手段】酸化触媒１６を入側に付帯装備して排気管９途中に装備されたパティキュレートフィルタ１１の上流側で排気ガス７中に燃料噴射装置１８（燃料添加手段）により燃料添加を行い、その添加燃料から生じた炭化水素が酸化触媒１６で酸化反応した時の反応熱により捕集済みパティキュレートを燃焼させてパティキュレートフィルタ１１を強制再生するようにした排気浄化装置に関し、前記パティキュレートフィルタ１１に担持させるべき貴金属触媒原料としてＰｔにＰｄを加えたものを使用し、貴金属触媒原料中に占めるＰｄの組成率を１０重量％〜３０重量％とし且つＰｔの粒子径に対するＰｄの粒子径を０．１〜２倍となるように調整する。
【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て、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、Ｐｔを主体とする貴金属触媒原料を担持させた触媒再生型のパティキュレートフィルタの実用化が進められている。
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装備し、パティキュレートの堆積量が増加してきた段階で、ディーゼルエンジン側の燃料噴射制御により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、この燃料添加で生じたＨＣガスが前段の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気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い。
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、従来においては、パティキュレートフィルタの強制再生でポスト噴射等による燃料添加が過剰となった場合に、前段の酸化触媒やパティキュレートフィルタで全てのＨＣガスを処理しきれなくなって余剰のＨＣガスが車外へ排出されて白煙を生じてしまう虞れがあり、しかも、強制再生時におけるパティキュレートの燃焼によりパティキュレートフィルタが高温酸化雰囲気下に晒されてＰｔのシンタリング（高温条件下でＰｔの微粒子が融合成長して大きな粒子となることで表面積が低下して活性が低下する現象）が起こり、パティキュレートフィルタの触媒性能が低下してしまう虞れもあった。
また、パティキュレートフィルタの触媒表面では、排気ガス中のＮＯxの大半を占めるＮＯが酸化されて反応性の高いＮＯ2が生成される反応も促進され、このＮＯ2によりパティキュレートの燃焼（酸化反応）が助勢されるという一面もあるが、従来のＰｔを主体とする貴金属触媒原料を担持させたものでは、ＮＯ2の生成を促進する触媒作用が強過ぎて、パティキュレートの燃焼が活発化する前の排気温度の低い段階からＮＯ2が生成されてしまう結果、排気温度の低い運転領域でＮＯ2を主体とするＮＯx排出量が増加してしまうという問題もあった。
本発明は、上述の実情に鑑みてなされたものであり、パティキュレートフィルタの強制再生時における白煙発生や触媒性能の低下、排気温度の低い運転領域でのＮＯ2生成を効果的に抑制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、酸化触媒を入側に付帯装備して排気管途中に装備されたパティキュレートフィルタの上流側で排気ガス中に燃料添加手段により燃料添加を行い、その添加燃料から生じた炭化水素が酸化触媒で酸化反応した時の反応熱により捕集済みパティキュレートを燃焼させてパティキュレートフィルタを強制再生するようにした排気浄化装置において、前記パティキュレートフィルタに担持させるべき貴金属触媒原料としてＰｔにＰｄを加えたものを使用し、貴金属触媒原料中に占めるＰｄの組成率を１０重量％〜３０重量％とし且つＰｔの粒子径に対するＰｄの粒子径を０．１〜２倍となるように調整したことを特徴とするものである。
而して、このようにすれば、Ｐｄにより高分子ＨＣが分解・酸化されることで低級化が図られてＰｔによるＨＣガスの酸化反応が起こり易くなり、強制再生時におけるＨＣガスの処理能力が従来よりも大幅に向上されるため、ポスト噴射等による燃料添加が過剰となっても、余剰のＨＣガスが車外へ排出されてしまうような事態が起こり難くなる。
また、Ｐｄを加えたことで高温酸化雰囲気下でのＯ2の存在状態が熱安定性の高いＰｄＯとなり、Ｐｄを加えない場合の如き揮発性の高いＰｔＯ2が生成されてシンタリングを加速するような事態が起こり難くなるため、貴金属触媒原料中のＰｔのシンタリングが従来よりも著しく抑制されることになる。
しかも、貴金属触媒原料中に占めるＰｄの組成率を１０重量％〜３０重量％とし且つＰｔの粒子径に対するＰｄの粒子径を０．１〜２倍となるように調整したことにより、ＰｔよりもＯ2を引き寄せる力が強いＰｄの表面積が増大し、Ｐｄの表面にＯ2が一時的に貯えられるようになって、Ｐｔの表面にＯ2が集中することが抑制される。
この結果、Ｐｄ側に貯えられたＯ2がＰｔ側でＮＯをＮＯ2に酸化させるのに必要となる分ずつ供給されるようなバッチ処理のシステムが排気温度の低い運転領域で構築され、排気温度の低い運転領域でのＮＯ2生成が効果的に抑制されることになる。
また、本発明を具体的に実施するに際しては、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すると良い。
更に、酸化触媒をパティキュレートフィルタと別体で構成するようにしても良く、また、各流路の入口側を目封じしている栓体を入側端面から所要長さだけ流路奥側へ入り込んだ位置に配置して成る奥栓式のパティキュレートフィルタを採用し、その入口側の栓体の配置位置から入側端面までの範囲に酸化触媒原料を担持させてパティキュレートフィルタ自体の前方部分に酸化触媒を一体的に構成するようにしても良い。
上記した本発明の排気浄化装置によれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。
（Ｉ）強制再生時におけるＨＣガスの処理能力を従来よりも大幅に向上し、余剰のＨＣガスが車外へ排出されてしまうような事態を起こり難くすることができるので、パティキュレートフィルタの強制再生時における白煙発生を効果的に抑制することができる。
（ＩＩ）貴金属触媒原料中のＰｔのシンタリングを従来よりも著しく抑制することができるので、パティキュレートフィルタの触媒性能の低下を効果的に抑制することができる。
（ＩＩＩ）排気温度の低い運転領域でのＮＯ2生成を効果的に抑制することができるので、パティキュレートの燃焼が活発化する前の排気温度の低い段階からＮＯ2が生成されてＮＯx排出量の増加を招いてしまうような事態を効果的に抑制することができる。
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を搭載したディーゼルエンジンを示しており、エアクリーナ３から導いた空気４が吸気管５を介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で加圧された空気４が更にインタクーラ６へと送られて冷却され、該インタクーラ６から図示しないインテークマニホールドへと空気４が導かれてディーゼルエンジン１の各シリンダに導入されるようにしてある。
また、このディーゼルエンジン１の各シリンダから排出された排気ガス７がエキゾーストマニホールド８を介し前記ターボチャージャ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７が排気管９を介し車外へ排出されるようにしてある。
そして、この排気ガス７が流通する排気管９の途中には、フィルタケース１０が介装されており、該フィルタケース１０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１１が収容されており、その構造を図２の右側に模式的に示す如く、このパティキュレートフィルタ１１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１２（セル）の入口が栓体１３により交互に目封じされ、入口が目封じされていない流路１２については、その出口が栓体１４により目封じされるようになっており、各流路１２を区画する多孔質薄壁１５を透過した排気ガス７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１０内におけるパティキュレートフィルタ１１の直前位置には、図２の左側に模式的に示してある通り、ハニカム構造を有するフロースルー型の酸化触媒１６が収容されており、この酸化触媒１６には、軸心方向に貫通形成された多数の排気通路１７（セル）が備えられている。
ここで、前記パティキュレートフィルタ１１においては、貴金属触媒原料としてＰｔにＰｄを加えたものが使用され、その貴金属触媒原料中に占めるＰｄの組成率が１０重量％〜３０重量％となるようにしてあり、しかも、Ｐｔの粒子径に対するＰｄの粒子径が０．１〜２倍となるように調整されている。
尚、このようにＰｔにＰｄを加えた貴金属触媒原料をパティキュレートフィルタ１１に担持させるに際しては、少なくともパティキュレートフィルタ１１の入側端面から出側に向けた所要範囲に亘り部分的に担持させるようにすれば良いが、パティキュレートフィルタ１１の全域に担持させるようにすることも可能である。
また、本形態例においては、パティキュレートフィルタ１１の強制再生を行う必要が生じた際に、ディーゼルエンジン１の各気筒に燃料を噴射する燃料噴射装置１８（図１参照）の燃料噴射制御が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）でポスト噴射が実行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７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ガスが排気ガス７と共にディーゼルエンジン１から排出されることになる。
而して、パティキュレートフィルタ１１の強制再生を行う必要が生じた際に、燃料噴射装置１８の燃料噴射制御が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）でポスト噴射が実行されると、該ポスト噴射により排気ガス７中に未燃のまま添加された燃料が高濃度のＨＣガスとなって、前段の酸化触媒１６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７の流入により直後のパティキュレートフィルタ１１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１１の再生化が図られることになる。
この際、本形態例におけるパティキュレートフィルタ１１にあっては、Ｐｄにより高分子ＨＣが分解・酸化されることで低級化が図られてＰｔによるＨＣガスの酸化反応が起こり易くなり、強制再生時におけるＨＣガスの処理能力が従来よりも大幅に向上されるため、ポスト噴射による燃料添加が過剰となっても、余剰のＨＣガスが車外へ排出されてしまうような事態が起こり難くなる。
ここで、図３のグラフ中に実線で示す曲線Ａは、排気温度に対するＨＣ浄化率の推移を表しており、図３のグラフ中に二点鎖線で示す従来の曲線Ｂ（パティキュレートフィルタの貴金属触媒原料にＰｄを加えずにＰｔを主体としたもの）と比較して、排気温度の低い領域から高いＨＣ浄化率が得られることが確認されている。
尚、このように排気温度の低い領域からパティキュレートフィルタ１１の触媒上でＨＣを酸化処理できれば、その酸化処理に伴う反応熱で局部的に触媒床温度が上昇し、パティキュレートフィルタ１１内の捕集済みパティキュレートの燃焼を従来より低い温度領域から開始できることにもなる。
また、Ｐｄを加えたことで高温酸化雰囲気下でのＯ2の存在状態が熱安定性の高いＰｄＯとなり、Ｐｄを加えない場合の如き揮発性の高いＰｔＯ2が生成されてシンタリングを加速するような事態が起こり難くなるため、貴金属触媒原料中のＰｔのシンタリングが従来よりも著しく抑制されることになる。
しかも、貴金属触媒原料中に占めるＰｄの組成率を１０重量％〜３０重量％とし且つＰｔの粒子径に対するＰｄの粒子径を０．１〜２倍となるように調整したことにより、ＰｔよりもＯ2を引き寄せる力が強いＰｄの表面積が増大し、Ｐｄの表面にＯ2が一時的に貯えられるようになって、Ｐｔの表面にＯ2が集中することが抑制される。
この結果、Ｐｄ側に貯えられたＯ2がＰｔ側でＮＯをＮＯ2に酸化させるのに必要となる分ずつ供給されるようなバッチ処理のシステムが排気温度の低い運転領域で構築され、排気温度の低い運転領域でのＮＯ2生成が効果的に抑制されることになる。
事実、本発明者らによる検証実験によれば、図４のグラフ中に実線で示す曲線Ｃの如く、排気温度の低い運転領域でのＮＯ2生成が、図４のグラフ中に二点鎖線で示す従来の曲線Ｄ（パティキュレートフィルタの貴金属触媒原料にＰｄを加えずにＰｔを主体としたもの）と比較して顕著に抑制されることが確認されている。
従って、上記形態例によれば、強制再生時におけるＨＣガスの処理能力を従来よりも大幅に向上し、余剰のＨＣガスが車外へ排出されてしまうような事態を起こり難くすることができるので、パティキュレートフィルタ１１の強制再生時における白煙発生を効果的に抑制することができ、また、貴金属触媒原料中のＰｔのシンタリングを従来よりも著しく抑制することができるので、パティキュレートフィルタ１１の触媒性能の低下を効果的に抑制することができ、更には、排気温度の低い運転領域でのＮＯ2生成を効果的に抑制することができるので、パティキュレートの燃焼が活発化する前の排気温度の低い段階からＮＯ2が生成されてＮＯx排出量の増加を招いてしまうような事態を効果的に抑制することもできる。
以上はパティキュレートフィルタ１１と別体で酸化触媒１６を構成した場合について説明したが、図５に示す如く、各流路１２の入口側を目封じしている栓体１３を入側端面から所要長さだけ流路奥側へ入り込んだ位置に配置して成る奥栓式のパティキュレートフィルタ１１’を採用し、その入口側の栓体１３の配置位置から入側端面までの範囲に酸化触媒原料を担持させてパティキュレートフィルタ１１’自体の前方部分に酸化触媒１６を一体的に構成するようにしても良く、このようにした場合でも、前述の図１〜図４の形態例と同様の作用効果を奏することができる。
また、このような奥栓式のパティキュレートフィルタ１１’の前方部分を除いた残りの領域に貴金属触媒原料を担持させるに際しては、少なくとも各流路１２の入口側を目封じしている栓体１３から出側に向けた所要範囲に亘り部分的に担持させるようにすれば良いが、各流路１２の入口側を目封じしている栓体１３から出側端面までの全域に担持させるようにすることも可能である。
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、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。
１ ディーゼルエンジン（エンジン）
７ 排気ガス
９ 排気管
１１ パティキュレートフィルタ
１１’ パティキュレートフィルタ
１２ 流路
１３ 入口側の栓体
１４ 出口側の栓体
１６ 酸化触媒
１７ 排気通路
１８ 燃料噴射装置（燃料添加手段）
７ 排気ガス
９ 排気管
１１ パティキュレートフィルタ
１１’ パティキュレートフィルタ
１２ 流路
１３ 入口側の栓体
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１６ 酸化触媒
１７ 排気通路
１８ 燃料噴射装置（燃料添加手段）
Claims (4)
- 酸化触媒を入側に付帯装備して排気管途中に装備されたパティキュレートフィルタの上流側で排気ガス中に燃料添加手段により燃料添加を行い、その添加燃料から生じた炭化水素が酸化触媒で酸化反応した時の反応熱により捕集済みパティキュレートを燃焼させてパティキュレートフィルタを強制再生するようにした排気浄化装置において、前記パティキュレートフィルタに担持させるべき貴金属触媒原料としてＰｔにＰｄを加えたものを使用し、貴金属触媒原料中に占めるＰｄの組成率を１０重量％〜３０重量％とし且つＰｔの粒子径に対するＰｄの粒子径を０．１〜２倍となるように調整したことを特徴とする排気浄化装置。
- 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に記載の排気浄化装置。
- 酸化触媒をパティキュレートフィルタと別体で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。
- 各流路の入口側を目封じしている栓体を入側端面から所要長さだけ流路奥側へ入り込んだ位置に配置して成る奥栓式のパティキュレートフィルタを採用し、その入口側の栓体の配置位置から入側端面までの範囲に酸化触媒原料を担持させてパティキュレートフィルタ自体の前方部分に酸化触媒を一体的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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