JP2008121493A

JP2008121493A - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP2008121493A
Application number: JP2006304959A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Funahashi; 博舟橋; Makoto Tsujita; 誠辻田
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2006-11-10
Filing date: 2006-11-10
Publication date: 2008-05-29

Abstract

【課題】パティキュレートフィルタの前段にＮＯx吸着触媒が設けられていても、パティキュレートフィルタの強制再生を支障なく良好に行い得るようにする。
【解決手段】燃料噴射装置２４（燃料添加手段）のポスト噴射により排気ガス７中に燃料添加を行い、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を強制再生する排気浄化装置に関し、排気ガス７をＮＯx吸着触媒１７を迂回させて酸化触媒１６へ直接導くバイパス流路１９を設けると共に、強制再生時に排気ガス７の流れをバイパス流路１９に切り換える流路切換弁２０（流路切換手段）を設ける。
【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を成し、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一方、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なっている。

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やＰｄ等を活性種とする酸化触媒をパティキュレートフィルタに一体的に担持させるようにしている。

即ち、このような酸化触媒を担持させた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入側にフロースルー型の酸化触媒を付帯装備させるようにし、パティキュレートの堆積量が増加してきた段階でパティキュレートフィルタより上流側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炭化水素が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（例えば、下記の特許文献１参照）。

尚、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。

一方、ディーゼルエンジンの排気浄化を図るにあたっては、前述のように排気ガス中のパティキュレートを除去するだけでは十分ではなく、排気ガス中に含まれるＮＯx（窒素酸化物）についても除去する必要があるので、本発明者らは、パティキュレートフィルタの前段にＮＯx吸着触媒を設けてパティキュレートとＮＯxの同時低減化を図ることを創案するに到った。

ここで言うＮＯx吸着触媒とは、既に実用化が進められているＮＯx吸蔵還元触媒（排気空燃比がリーンの時に排気ガス７中のＮＯxを酸化して硝酸塩の状態で一時的に吸蔵し且つ排気ガス７中のＯ₂濃度が低下した時に未燃の炭化水素やＣＯ等の介在によりＮＯxを分解放出して還元浄化する性質を持つもの）とは全く異なる性質のものであり、排気ガス中のＮＯxや炭化水素を物理的に吸着する能力に優れたゼオライトから成るフロースルー型の触媒のことを意味している。

ゼオライトはアルミナケイ酸塩質の多孔性結晶材料であり、結晶中に均一な分子レベルの細孔を規則正しく配向して備えていることを特徴とし、この細孔を通じて各種の分子を空洞又は孔路内に吸着する性質を備えており、このような性質以外にも、細孔が均一であることに基づく分子ふるい作用を持つ性質（細孔の孔径より小さい分子しか吸着しない）、結晶構造中のカチオンとアニオンの作用により極性物質を強く吸着する性質、触媒作用を持つ性質も兼ね備えている。

また、この種のゼオライトは、その骨格構造の型に基づき多種類に分類されるが、低排気温度条件下で細孔内へＮＯxと炭化水素を吸着する能力と、吸着した炭化水素を低排気温度条件下で緩慢に排気ガス中の酸素と反応させて亜酸化炭化水素とする能力と、高耐熱性、高耐久性とに優れたものを適宜に選定すれば良く、同様の性質を備えたゼオライト類縁化合物の中から選定することも可能である。

このようなＮＯx吸着触媒をパティキュレートフィルタの前段に装備すれば、既存のＮＯx吸蔵還元触媒が有効に機能しないような排気温度が低い運転状態で排気ガス中のＮＯxと炭化水素がＮＯx吸着触媒に同時吸着され、その吸着された炭化水素が低排気温度条件下で緩慢に排気ガス中の酸素と反応して亜酸化炭化水素となり、前記ＮＯx吸着触媒に吸着されているＮＯx中のＮＯ₂が前記亜酸化炭化水素と反応して還元浄化されることになる。

しかも、吸着中に炭化水素の亜酸化炭化水素への酸化反応熱に助勢されてＮＯからＮＯ₂への酸化反応も局部的に促されるため、吸着中に新たにＮＯからＮＯ₂となったものも亜酸化炭化水素と反応して還元浄化されることになり、ＮＯx吸着触媒に吸着されたＮＯxのうちの約３０％程度が還元浄化されて低減される。
特開２００３−１９３８２４号公報

しかしながら、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、パティキュレートフィルタの前段にＮＯx吸着触媒が配置されていると、添加燃料から生じた炭化水素の大半が前段のＮＯx吸着触媒で吸着されてしまうことで酸化触媒での反応熱の発生が滞り、しかも、ＮＯx吸着触媒が蓄熱体となることでヒートマスが増加して排気ガス温度が上がり難くなるため、パティキュレートフィルタの強制再生に支障をきたす虞れがあった。

また、ＮＯx吸着触媒の床温度が炭化水素の放出温度にまで上昇すると、それまで吸着されていた間に緩慢に酸素と反応して軽質の炭化水素となったものが多量に発生し、この軽質の炭化水素が後段の酸化触媒で活発に反応することで急激な温度上昇を招く虞れがあり、このような急激な温度上昇を回避するための燃料添加の制御が技術的に難しいという問題もあった。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、パティキュレートフィルタの前段にＮＯx吸着触媒が設けられていても、パティキュレートフィルタの強制再生を支障なく良好に行い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設けられたパティキュレートフィルタと、該パティキュレートフィルタの前段に設けられて低排気温度条件で排気ガス中のＮＯxと炭化水素を同時吸着し且つその吸着したＮＯx中のＮＯ₂を前記炭化水素の酸化生成物である亜酸化炭化水素と反応させて還元浄化するＮＯx吸着触媒とを備え、該ＮＯx吸着触媒より上流側で燃料添加手段により排気ガス中に燃料添加を行い、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排気浄化装置であって、排気ガスをＮＯx吸着触媒を迂回させて酸化触媒へ直接導くバイパス流路を設けると共に、強制再生時に排気ガスの流れをバイパス流路に切り換える流路切換手段を設け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、強制再生時に流路切換手段により排気ガスの流れをバイパス流路に切り換え、排気ガスをＮＯx吸着触媒を迂回させて酸化触媒へ直接導くことが可能となるので、添加燃料から生じた炭化水素を遅滞なく酸化触媒に導いて直ちに反応熱を発生させることが可能となる。

しかも、ＮＯx吸着触媒が蓄熱体となってしまうことで排気ガス温度が上がり難くなったり、ＮＯx吸着触媒が放出温度で軽質の炭化水素を多量に発生してしまうことで後段の酸化触媒の急激な温度上昇を招いたりする虞れを未然に回避することが可能となる。

更に、本発明においては、排気管途中でＮＯx吸着触媒を抱持しているケーシングをインナシェルとアウタシェルから成る二重殻構造とし、これらインナシェル及びアウタシェルの相互間の隙間を排気ガスを迂回させるためのバイパス流路として構成することが好ましい。

このようにすれば、バイパス流路がコンパクトに構成されることで該バイパス流路の配置スペースを大きく確保しなくても済むので、車両への搭載性を大幅に向上することが可能となり、しかも、バイパス流路がＮＯx吸着触媒を取り囲むように外周部に構成されることでバイパス流路側とＮＯx吸着触媒側との温度差が少なくなるので、バイパス流路をＮＯx吸着触媒と並列に独立させて設けた形態よりも熱応力の発生を少なくすることが可能となる。

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）本発明の請求項１に記載の発明によれば、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、該パティキュレートフィルタの前段にＮＯx吸着触媒が設けられていても、流路切換手段により排気ガスの流れをバイパス流路に切り換えてＮＯx吸着触媒を迂回させることによって、添加燃料から生じた炭化水素を遅滞なく酸化触媒に導いて直ちに反応熱を発生させることができ、しかも、ＮＯx吸着触媒が蓄熱体となってしまうことで排気ガス温度が上がり難くなったり、ＮＯx吸着触媒が放出温度で軽質の炭化水素を多量に発生してしまうことで後段の酸化触媒の急激な温度上昇を招いたりする虞れを未然に回避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を支障なく良好に行うことができる。

（ＩＩ）本発明の請求項２に記載の発明によれば、バイパス流路の配置スペースをコンパクト化して車両への搭載性を大幅に向上することができると共に、バイパス流路側とＮＯx吸着触媒側との温度差を少なくして熱応力の発生の少ない構造とすることができる。

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から導いた吸気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で加圧された吸気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吸気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が排気マニホールド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り、該排気管９の途中に介装されたケーシング１０内には、捕集済みパティキュレートの酸化反応を助勢する機能を高めた酸化触媒を担持したパティキュレートフィルタ１１が収容されている。

図２にその構造を模式的に示す如く、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いて、各流路１２を区画する多孔質薄壁１５を透過してパティキュレートを捕集された排気ガス７のみが下流側へ排出されるようになっている。

更に、前記ケーシング１０内におけるパティキュレートフィルタ１１の前段には、図３に一部を切り欠いて概略的に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１６が装備されており、この酸化触媒１６は、排気ガス７中の炭化水素の酸化反応を助勢する機能を高めたものとなっており、後段のパティキュレートフィルタ１１に担持されている酸化触媒よりもＰｔやＰｄ等の活性種の量を多くしたものとなっている。

そして、前記ケーシング１０より上流側の排気管９には、低排気温度条件で排気ガス７中のＮＯxと炭化水素を同時吸着し且つその吸着したＮＯx中のＮＯ₂を前記炭化水素の酸化生成物である亜酸化炭化水素と反応させて還元浄化するＮＯx吸着触媒１７がケーシング１８に抱持されて装備されている。

尚、このＮＯx吸着触媒１７は、図４に一部を切り欠いて概略的に示す如く、排気ガス７中のＮＯxや炭化水素を物理的に吸着する能力に優れたゼオライトから成るフロースルー型のハニカム構造となっているが、同様の性質を備えたゼオライト類縁化合物から成るものであっても良い。

また、前記排気管９には、排気ガス７をＮＯx吸着触媒１７を迂回させて酸化触媒１６へ直接導くバイパス流路１９が設けられており、該バイパス流路１９の上流の排気管９から分岐する箇所には、排気ガス７の流れをＮＯx吸着触媒１７に向かう流れからバイパス流路１９に向かう流れに切り換える流路切換弁２０（流路切換手段）が設けられている。

この流路切換弁２０の開閉操作は、パティキュレートフィルタ１１の強制再生を担う制御装置２１の制御信号２０ａで制御されるようになっており、この制御装置２１でパティキュレートフィルタ１１の強制再生が実行される際に、排気ガス７の流れがバイパス流路１９側へ切り換えられるようになっている。

また、前記制御装置２１には、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２２（負荷センサ）からの検出信号２２ａと、ディーゼルエンジン１の回転数を検出する回転センサ２３からの検出信号２３ａとが入力されるようになっていると共に、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２４に対し、燃料の噴射タイミング及び噴射量を指令する制御信号２４ａ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２４は、各気筒毎に装備される図示しない複数のインジェクタにより構成されており、これら各インジェクタの電磁弁が前記制御信号２４ａ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が、前述のアクセルセンサ２２及び回転センサ２３からの検出信号２２ａ，２３ａに基づき通常モードでの燃料噴射制御を行う制御信号２４ａ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１１の強制再生を行う際には通常モードから強制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制御信号２４ａ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７中に未燃の燃料（主として炭化水素）が添加されることになり、この未燃の燃料により生じた炭化水素（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。

尚、前述した制御装置２１における通常モードから強制再生モードへの切り替えは、ディーゼルエンジン１の運転状態に基づきパティキュレートフィルタ１１内の堆積量を推定し、その推定された堆積量が所定の上限値を超えた時にモード切り替えを行うようにすれば良い。

例えば、ディーゼルエンジン１の運転状態に基づきパティキュレートの発生量を推定する一方、現在の運転状態についてパティキュレートの処理量が捕集量を上まわる再生領域にあるか否かを判定し、現在の運転状態が再生領域にあると判定されている間にパティキュレートの発生量を除外し且つ非再生領域でのパティキュレートの発生量のみを積算してパティキュレートフィルタ１１内の堆積量とする機能を全て制御装置２１が兼ね備えるようにし、該制御装置２１によりパティキュレートの堆積量の推定を実行できるようにすれば良い。

而して、このように構成された排気浄化装置では、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、制御装置２１が通常モードから強制再生モードに切り替わり、該制御装置２１からの制御信号２４ａにより燃料噴射装置２４でポスト噴射による燃料添加が実行される一方、前記制御装置２１からの制御信号２０ａにより流路切換弁２０が排気ガス７の流れをバイパス流路１９に切り換え、排気ガス７がＮＯx吸着触媒１７を迂回して酸化触媒１６へ直接導かれることになるので、添加燃料から生じた炭化水素を遅滞なく酸化触媒１６に導いて直ちに反応熱を発生させることが可能となる。

しかも、ＮＯx吸着触媒１７が蓄熱体となってしまうことで排気ガス７の温度が上がり難くなったり、ＮＯx吸着触媒１７が放出温度で軽質の炭化水素を多量に発生してしまうことで後段の酸化触媒１６の急激な温度上昇を招いたりする虞れが未然に回避されることになる。

従って、上記形態例によれば、燃料添加によるパティキュレートフィルタ１１の強制再生を行うに際し、該パティキュレートフィルタ１１の前段にＮＯx吸着触媒１７が設けられていても、流路切換弁２０により排気ガス７の流れをバイパス流路１９に切り換えてＮＯx吸着触媒１７を迂回させることによって、添加燃料から生じた炭化水素を遅滞なく酸化触媒１６に導いて直ちに反応熱を発生させることができ、しかも、ＮＯx吸着触媒１７が蓄熱体となってしまうことで排気ガス７の温度が上がり難くなったり、ＮＯx吸着触媒１７が放出温度で軽質の炭化水素を多量に発生してしまうことで後段の酸化触媒１６の急激な温度上昇を招いたりする虞れを未然に回避することができるので、パティキュレートフィルタ１１の強制再生を支障なく良好に行うことができる。

図５は本発明の別の形態例を示すもので、ここに図示している例では、排気管９途中でＮＯx吸着触媒１７を抱持しているケーシング１８をインナシェル１８ａとアウタシェル１８ｂから成る二重殻構造とし、これらインナシェル１８ａ及びアウタシェル１８ｂの相互間の隙間を排気ガス７を迂回させるためのバイパス流路１９として構成している。

即ち、図５中の実線で示す位置に流路切換弁２０を切り換えると、排気ガス７がインナシェル１８ａの前端部の連通孔２５を通し外周部のバイパス流路１９に導かれ、インナシェル１８ａの後端部の連通孔２６から内周部に戻されて酸化触媒１６に導かれるようになっており、また、流路切換弁２０を逆側へ切り換えて図５中の破線の矢印で示すように排気ガス７の流れを変えると、仕切板２７を貫通する散気パイプ２８と散気板２９とを介し排気ガス７が酸化触媒１６へ直接導かれるようになっている。

而して、このようにすれば、図１の形態例のようにした場合よりも、バイパス流路１９がコンパクトに構成されることで該バイパス流路１９の配置スペースを大きく確保しなくても済み、これによって、車両への搭載性を大幅に向上することができ、しかも、バイパス流路１９がＮＯx吸着触媒１７を取り囲むように外周部に構成されることでバイパス流路１９側とＮＯx吸着触媒１７側との温度差が少なくなるので、図１の如きバイパス流路１９をＮＯx吸着触媒１７と並列に独立させて設けた形態よりも熱応力の発生を少なくすることができる。

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、パティキュレートフィルタと別体で酸化触媒を構成した場合を例示しているが、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ことも可能であること、また、先の形態例においては、排気ガス中に燃料を添加する燃料添加手段として、燃料のメイン噴射に続いて非着火のタイミングでポスト噴射を追加することで排気ガス中に燃料を添加する場合を例示しているが、排気管の上流側にインジェクタを別途装備して排気管内に燃料を直噴することも可能であること、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。図１の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。図１の酸化触媒の詳細を一部を切り欠いて示す斜視図である。図１のＮＯx吸着触媒の詳細を一部を切り欠いて示す斜視図である。本発明の別の形態例を示す断面図である。

符号の説明

７排気ガス
９排気管
１１パティキュレートフィルタ
１６酸化触媒
１７ＮＯx吸着触媒
１８ケーシング
１８ａインナシェル
１８ｂアウタシェル
１９バイパス流路
２０流路切換弁（流路切換手段）
２１制御装置
２４燃料噴射装置（燃料添加手段）

Claims

酸化触媒を入側に付帯装備して排気管途中に設けられたパティキュレートフィルタと、該パティキュレートフィルタの前段に設けられて低排気温度条件で排気ガス中のＮＯxと炭化水素を同時吸着し且つその吸着したＮＯx中のＮＯ₂を前記炭化水素の酸化生成物である亜酸化炭化水素と反応させて還元浄化するＮＯx吸着触媒とを備え、該ＮＯx吸着触媒より上流側で燃料添加手段により排気ガス中に燃料添加を行い、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排気浄化装置であって、排気ガスをＮＯx吸着触媒を迂回させて酸化触媒へ直接導くバイパス流路を設けると共に、強制再生時に排気ガスの流れをバイパス流路に切り換える流路切換手段を設けたことを特徴とする排気浄化装置。
排気管途中でＮＯx吸着触媒を抱持しているケーシングをインナシェルとアウタシェルから成る二重殻構造とし、これらインナシェル及びアウタシェルの相互間の隙間を排気ガスを迂回させるためのバイパス流路として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。