JP2012117487A - Particulate filter with catalyst, exhaust gas purification and discharge system, catalyst arrangement part ratio calculation method, and catalyst arrangement part ratio calculation device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ハニカム構造体に担持され、カーボンを主成分とする排気微粒子である粒子状物質を酸化し除去するための酸化触媒を備える触媒付パティキュレートフィルタ、排ガス浄化排出システム、触媒配置部割合算出方法及び触媒配置部割合算出装置に関する。 The present invention relates to a particulate filter with a catalyst, which is supported on a honeycomb structure and includes an oxidation catalyst for oxidizing and removing particulate matter which is exhaust particulate mainly composed of carbon, an exhaust gas purification / exhaust system, a ratio of catalyst arrangement parts The present invention relates to a calculation method and a catalyst arrangement portion ratio calculation device.
内燃機関、例えばディーゼルエンジンから排出される排気ガス中には、カーボンからなるすす等を主成分とする排気微粒子である、パティキュレート（ＰＭ）や、灰すなわちアッシュ等の燃焼残留物が含まれる。このため、従来から、例えば、ディーゼルエンジンの排ガス排出構造において、ディーゼルパティキュレートフィルタ、すなわちＤＰＦを設けて、パティキュレート及び燃焼残留物を除去することが考えられている。 In exhaust gas discharged from an internal combustion engine, for example, a diesel engine, particulates (PM), which are exhaust particulates mainly composed of soot made of carbon, and combustion residues such as ash, that is, ash, are included. For this reason, conventionally, for example, in a diesel engine exhaust gas exhaust structure, it has been considered to provide a diesel particulate filter, that is, a DPF, to remove particulates and combustion residues.
また、ＤＰＦの内部に堆積したパティキュレートは規定の一定量に達した時点で燃焼除去し、フィルタの背圧を回復させる、すなわちＤＰＦの再生が必要である。このため、ＤＰＦの上流側に排気ガス中のＨＣ，ＣＯ等の有害成分や燃料を酸化可能な酸化触媒ＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst）を配置し、所定の期間経過時にＤＯＣの上流側の排気経路に燃料を噴射させ、燃料の酸化熱により排気ガスを昇温させ、ＤＰＦ内部に堆積したパティキュレートを燃焼除去し、ＤＰＦを再生させることが行われている。また、ＤＰＦにパティキュレートの酸化温度を低下させるための酸化触媒（以下、ＰＭ酸化触媒と呼ぶ場合がある。）を設けて、所定の期間経過時等にＤＯＣの上流側に燃料を噴射させることにより、比較的低い温度でパティキュレートを燃焼除去することも考えられている。このようにＤＰＦにＰＭ酸化触媒を設ける場合には、パティキュレートの燃焼が低い温度で行われるため、燃料添加量を低減することができる。なお、本明細書及び特許請求の範囲の全体において、「上流」、「下流」は、それぞれ内燃機関から排出される排ガスの流れについての上流、下流を意味する。 Further, the particulates accumulated in the DPF must be burned and removed when a predetermined amount is reached to recover the back pressure of the filter, that is, the DPF needs to be regenerated. For this reason, an oxidation catalyst DOC (Diesel Oxidation Catalyst) capable of oxidizing harmful components such as HC and CO in the exhaust gas and fuel is disposed upstream of the DPF, and the exhaust path upstream of the DOC is passed after a predetermined period. It has been practiced to inject fuel, raise the temperature of exhaust gas by the oxidation heat of the fuel, burn and remove particulates accumulated in the DPF, and regenerate the DPF. Also, an oxidation catalyst (hereinafter sometimes referred to as a PM oxidation catalyst) for lowering the particulate oxidation temperature is provided in the DPF, and fuel is injected upstream of the DOC when a predetermined period of time elapses. Therefore, it is also considered that the particulates are burned and removed at a relatively low temperature. In this way, when the PM oxidation catalyst is provided in the DPF, the amount of fuel added can be reduced because the combustion of the particulates is performed at a low temperature. In the entire specification and claims, “upstream” and “downstream” mean upstream and downstream of the flow of exhaust gas discharged from the internal combustion engine, respectively.
また、特許文献１には、内燃機関の排気浄化装置の構造であって、ハニカム状の円筒形に形成されたＤＰＦに対する触媒担持量を、排気ガスの入口である上流側で下流側よりも多くするとともに、ＤＰＦ内の複数の流路同士の間に設けられた隔壁の排気ガス流入側に、流出側よりも多くの触媒を担持する構造が記載されている。これにより、排気濃度が濃くパティキュレートが多く存在するＤＰＦの入口端で、より活発にこれらを酸化除去することが行われるとされている。また、出口端でパティキュレートが少なくなるので、それに対応した量の触媒物質によって酸化除去が行われるとされている。
また、特許文献２には、排気微粒子低減装置の構造として、排気通路に上流側から下流側に順に、排気中のＨＣ、ＣＯ等の有害成分を酸化可能な酸化触媒と、カーボン粒子等の微粒子を捕集可能なフィルタ装置とを設ける構造が記載されている。フィルタ装置に設けたフィルタ部材は、隔壁により複数のセルを格子状に区画しており、上流側に流入した排気ガスが一方のセルから隔壁を通じて他方のセルに流入し、フィルタ部材から排出されるようにしている。また、隔壁の両面に触媒金属を担持した触媒層をコートしている。また、フィルタ部材の下流部に担持される触媒金属を、上流部に担持される触媒金属よりも多く担持している。これにより、カーボン以外の成分を主成分とするアッシュである化合物粒子の堆積により再生性能が悪化するフィルタ部材の下流部でもカーボン粒子の除去性能を高め、かつ、安価に構成できるとされている。また、触媒金属として貴金属を用いた場合には、ＮＯをＮＯ2に容易に変換できるとされている。また、触媒層にはアルカリ金属を含有させ、アルカリ金属の担持量を上流部で下流部よりも多くするとされている。 Further, in Patent Document 2, as an exhaust particulate reduction device structure, an oxidation catalyst capable of oxidizing harmful components such as HC and CO in exhaust in order from an upstream side to a downstream side in an exhaust passage, and particulates such as carbon particles. The structure which provides the filter apparatus which can collect can be described. The filter member provided in the filter device divides a plurality of cells in a lattice shape by partition walls, and exhaust gas flowing into the upstream side flows from one cell to the other cell through the partition walls and is discharged from the filter member. I am doing so. In addition, a catalyst layer carrying a catalyst metal is coated on both sides of the partition wall. Further, the catalyst metal supported on the downstream portion of the filter member is supported more than the catalyst metal supported on the upstream portion. Thereby, it is said that the removal performance of carbon particles can be enhanced at a downstream portion of the filter member where the regeneration performance deteriorates due to the deposition of compound particles, which are ash mainly composed of components other than carbon, and can be configured at low cost. Further, when a noble metal is used as the catalyst metal, it is said that NO can be easily converted to NO 2 . Further, the catalyst layer contains an alkali metal, and the supported amount of the alkali metal is increased in the upstream portion than in the downstream portion.
また、特許文献３には、排ガス浄化装置であって、第１酸化触媒が担持された金属製のハニカム構造体を有する第１浄化部と、第１浄化部の下流側に配置され第２酸化触媒が担持されたパティキュレートフィルタを有する第２浄化部とを備える排ガス浄化装置が記載されている。また、パティキュレートフィルタは、上流側が下流側よりも第２酸化触媒の担持量が相対的に多いとされている。これにより、効率よく触媒を活性化させることが可能になり、排ガスを効率よく浄化させることが可能になるとされている。 Further, Patent Document 3 discloses an exhaust gas purification device, which is a first purification unit having a metal honeycomb structure on which a first oxidation catalyst is supported, and a second oxidation unit disposed downstream of the first purification unit. An exhaust gas purification device is described that includes a second purification unit having a particulate filter on which a catalyst is supported. The particulate filter is said to have a relatively large amount of the second oxidation catalyst supported on the upstream side than on the downstream side. This makes it possible to activate the catalyst efficiently and to purify the exhaust gas efficiently.
また、第２酸化触媒の担持量が相対的に多い領域を、パティキュレートフィルタの上流側から、パティキュレートフィルタの軸線方向における長さの２０〜８０％の領域とすることにより、第２酸化触媒を全体に均一に分散させて担持する場合よりも、排ガスが接触しやすい上流側部分に触媒が配置され、排ガスの圧力損失及び触媒劣化による浄化性能への影響を抑制できるとされている。 Further, by setting the region where the amount of the second oxidation catalyst supported is relatively large from the upstream side of the particulate filter to the region of 20 to 80% of the length in the axial direction of the particulate filter, It is said that the catalyst is disposed in the upstream portion where the exhaust gas is more easily contacted than the case where the exhaust gas is uniformly dispersed and supported, and the effect on the purification performance due to the pressure loss and catalyst deterioration of the exhaust gas can be suppressed.
また、非特許文献１では、ＰＭ酸化触媒を設けたＤＰＦ内部における、パティキュレートの酸化機構を表現するための物理モデルが記載されている。
Non-Patent
また、非特許文献２では、ＤＰＦにおいて、煤の酸化を複数流路でシミュレーションすることが記載されている。また、非特許文献２では、フィルタへのアッシュの堆積によりフィルタが老朽化することと、フィルタ内のアッシュ層の厚さ及びアッシュ質量割合がアッシュ関数Ｊashに関係することとが記載されている。また、非特許文献２では、Ｊashは局所的せん断応力とフィルタ壁が経験する最高温度Ｔmaxに依存するステップ関数であり、排ガスのせん断応力が境界せん断応力τcr未満であるとき、または最高温度Ｔmaxが境界温度Ｔcrより大きいときにＪashは０であり、それ以外の場合にＪashは一定の値Ｊ0であることとされている。さらに、排ガス温度が境界温度Ｔcrである１０５０℃を超えないようにすることが、粘着性のないアッシュがフィルタの下流端に移送されるようにする面から勧められること、逆に、排ガス温度が境界温度Ｔcrである１０５０℃を超える場合には、粘着性を有するアッシュがフィルタの壁に沿って堆積するとされている。 Non-Patent Document 2 describes the simulation of soot oxidation in a DPF using a plurality of channels. Non-Patent Document 2 describes that the filter ages due to the accumulation of ash on the filter, and that the thickness and ash mass ratio of the ash layer in the filter are related to the ash function Jash. Further, in Non-Patent Document 2, Jash is a step function that depends on the local shear stress and the maximum temperature Tmax experienced by the filter wall. the Jash when boundary temperature Tcr is greater than a 0, Jash otherwise is as to be a constant value J 0. Furthermore, it is recommended that the exhaust gas temperature does not exceed the boundary temperature Tcr of 1050 ° C. in terms of ensuring that the non-sticky ash is transferred to the downstream end of the filter. When the boundary temperature Tcr exceeds 1050 ° C., sticky ash is supposed to be deposited along the wall of the filter.
上記のように従来から考えられているように、ＤＰＦにＰＭ酸化触媒をコーティングにより設ける構成を採用した場合には、パティキュレートの燃焼、すなわちフィルタの再生に必要となる燃料添加量を低減できる可能性がある。ただし、エンジンから排出される排気ガス中にはパティキュレートの他に、通常のフィルタ再生過程では取り除くことができない燃焼残留物である、灰すなわちアッシュの生成因となる元素が含まれており、アッシュがフィルタ中に堆積することにより、ＰＭ酸化触媒の効果が阻害され、フィルタの再生性能が低下する可能性がある。特に、ＤＰＦが、互いに隔壁である複数のセル壁で仕切られた上流側流路群と下流側流路群との２の流路群を有し、上流側流路群は、下流側が下流側栓により塞がれており、下流側流路群は、上流側が上流側栓により塞がれているハニカム構造体を含む場合、上流側流路群の排気出口端側にアッシュ等の燃焼残留物が堆積する場合がある。 As previously considered, when a configuration in which a PM oxidation catalyst is provided on the DPF by coating is adopted, it is possible to reduce the amount of fuel required for particulate combustion, that is, filter regeneration. There is sex. However, in addition to particulates, exhaust gas discharged from the engine contains ash, an element that causes ash, which is a combustion residue that cannot be removed in the normal filter regeneration process. Is deposited in the filter, the effect of the PM oxidation catalyst is hindered, and the regeneration performance of the filter may be reduced. In particular, the DPF has two flow path groups, an upstream flow path group and a downstream flow path group, which are partitioned by a plurality of cell walls that are partition walls, and the upstream flow path group is downstream on the downstream side. When the downstream flow path group includes a honeycomb structure whose upstream side is blocked by the upstream plug, combustion residues such as ash are present on the exhaust outlet end side of the upstream flow path group. May accumulate.
したがって、従来のＤＰＦでは、フィルタの再生性能は、使用開始時に高く、再生を繰り返してアッシュ等の燃焼残留物（以下、アッシュ等という。）が堆積することに伴って、再生性能が大きく低下する可能性がある。このため、フィルタ中にアッシュ等がある程度堆積した場合に対応して、堆積時のフィルタの再生に必要な燃料添加量を一定量として再生時に添加させることも考えられるが、この場合、使用開始時に燃料添加量が多すぎて、フィルタ内が過昇温となるだけでなく、維持費として燃費が悪化する原因となる。 Therefore, in the conventional DPF, the regeneration performance of the filter is high at the start of use, and the regeneration performance is greatly deteriorated as combustion residues such as ash (hereinafter referred to as ash) accumulate due to repeated regeneration. there is a possibility. For this reason, it can be considered that the amount of fuel added necessary for regeneration of the filter during deposition is added as a fixed amount during regeneration corresponding to the case where ash or the like has accumulated to some extent in the filter. The amount of fuel added is too large, which not only causes the temperature inside the filter to overheat, but also causes fuel consumption to deteriorate as a maintenance cost.
これに対して、フィルタ内でのアッシュ等の堆積量に応じてフィルタの再生に必要な燃料添加量を変化させることも考えられるが、このためには、アッシュ堆積量の検知や制御機構が必要となり、後処理システムのコスト増につながる。また、アッシュ堆積量の検知を行わずに、走行距離に応じた制御を行ってフィルタの再生に必要な燃料添加量を変化させることも考えられる。ただし、オイル等のアッシュ起因物質の性状は地域等に依存して千差万別であり、走行距離からアッシュ堆積量を推定することは困難である。このため、ＰＭ酸化触媒が設けられたＤＰＦであって、フィルタ内のアッシュ等の堆積にかかわらず、一定の再生性能等、変化がないか、または変化が少ない再生性能を有するＤＰＦを実現することが望まれている。 On the other hand, it is conceivable to change the amount of fuel added to regenerate the filter according to the amount of ash accumulated in the filter, but this requires a detection and control mechanism for the amount of ash accumulated. This leads to an increase in the cost of the post-processing system. It is also conceivable to change the fuel addition amount necessary for regeneration of the filter by performing control according to the travel distance without detecting the ash accumulation amount. However, the properties of ash-causing substances such as oil vary widely depending on the region, and it is difficult to estimate the amount of ash deposition from the travel distance. Therefore, to realize a DPF provided with a PM oxidation catalyst, which has a regenerative performance with little or no change such as a constant regenerative performance regardless of accumulation of ash or the like in the filter. Is desired.
一方、上記の特許文献１、３に記載された構成の場合、フィルタ内にアッシュ等が堆積することは考慮されていない。特許文献１、３に記載された構成の場合、フィルタの上流側で触媒の担持量を下流側よりも多くしているが、フィルタの下流側に触媒を設けない触媒非配置部を設けることは考慮されていない。このため、フィルタの下流側にも触媒が設けられている場合、触媒がＰＭ酸化触媒である場合にＰＭ酸化触媒がアッシュ等により性能を阻害され、フィルタの再生性能が低下する可能性がある。これに対して、フィルタの全域に触媒量が少ない領域を設けることも考えられるが、この場合、フィルタの再生性能そのものが低下して、本来の目的を達成できない。このため、再生性能を保ちつつ、アッシュ等による性能低下を抑制できる手段の実現が望まれている。
On the other hand, in the case of the configurations described in
また、上記の特許文献２に記載された構成の場合、アッシュ等のフィルタ内での堆積を考慮してフィルタの下流で上流側よりも貴金属触媒量を多くし、アッシュ堆積量の多い下流側において、排ガス中のＮＯからＮＯ2への転換を促進することにより、ＮＯ2によるパティキュレートの酸化を用いてアッシュの堆積によるＤＰＦ再生性能低下を抑制している。ただし、この方法では、貴金属使用量の増大によりコスト増となるばかりでなく、エンジンの運転状態によりＮＯ排出量が変動するため、アッシュ等の堆積によりフィルタの再生性能が大きく変化する可能性がある。 In the case of the configuration described in Patent Document 2, the amount of noble metal catalyst is increased on the downstream side of the filter from the upstream side in consideration of the accumulation in the filter such as ash, and on the downstream side where the ash accumulation amount is large. By promoting the conversion of NO in the exhaust gas to NO 2 , the deterioration of the DPF regeneration performance due to the accumulation of ash is suppressed using the oxidation of particulates by NO 2 . However, this method not only increases the cost due to an increase in the amount of noble metal used, but also the NO emission amount varies depending on the operating state of the engine, so that the regeneration performance of the filter may greatly change due to the accumulation of ash or the like. .
また、特許文献２に記載された構成の場合、アッシュ等がフィルタの下流側に堆積することを考慮し、フィルタの上流側で下流側よりもアルカリ金属の担持量を多くしている。ただし、この方法では、アルカリ金属の担持量を減ずることができるが、フィルタの下流側にもＰＭ酸化触媒であるアルカリ金属が担持されており、アッシュ等の堆積によりフィルタの再生性能が大きく変化する可能性がある。また、特許文献２は、アルカリ金属の担持量分布などＤＰＦの再生性能にとって最適な触媒の担持形態を言及していない。 In the case of the configuration described in Patent Document 2, in consideration of the accumulation of ash or the like on the downstream side of the filter, the amount of alkali metal supported on the upstream side of the filter is larger than that on the downstream side. However, with this method, the amount of alkali metal supported can be reduced, but the alkali metal that is the PM oxidation catalyst is also supported on the downstream side of the filter, and the regeneration performance of the filter greatly changes due to the accumulation of ash or the like. there is a possibility. Further, Patent Document 2 does not mention a catalyst loading form that is optimal for the regeneration performance of the DPF, such as an alkali metal loading distribution.
本発明の触媒付パティキュレートフィルタ、排ガス浄化排出システム、触媒配置部割合算出方法、及び触媒配置部割合算出装置は、酸化触媒を設けるパティキュレートフィルタにおいて、内部での燃焼残留物の堆積にかかわらず、再生性能の変化を効率よく抑制することを目的とする。 The particulate filter with catalyst, the exhaust gas purification / discharge system, the catalyst arrangement portion ratio calculation method, and the catalyst arrangement portion ratio calculation device according to the present invention are the particulate filter provided with an oxidation catalyst, regardless of the accumulation of combustion residues inside. An object is to efficiently suppress a change in reproduction performance.
本発明に係る触媒付パティキュレートフィルタは、複数のセル壁により互いに仕切られた複数の流路であって、上流側流路群と下流側流路群との２の流路群に区分されている複数の流路を有するハニカム構造体であって、上流側流路群は、下流側が下流側栓により塞がれており、下流側流路群は、上流側が上流側栓により塞がれているハニカム構造体と、ハニカム構造体に担持され、カーボンを主成分とする排気微粒子を酸化し除去するための酸化触媒とを備える触媒付パティキュレートフィルタであって、ハニカム構造体は、長さ方向に関して排気入口側に設けられ、酸化触媒が配置される触媒配置部と、長さ方向に関して排気出口側に設けられ、酸化触媒が配置されない触媒非配置部とを含み、ハニカム構造体の上流側流路の全長に対する触媒配置部の長さの割合である触媒配置割合をＸとし、排気微粒子の除去による再生率をＥとし、触媒配置割合を０と仮定した再生率をＥ０とし、触媒配置割合を１と仮定した再生率をＥ１とした場合に、
０＜Ｘ＜１ ・・・（１）
−δＥ≦Ｅ−Ｅ０−（Ｅ１−Ｅ０）×Ｘ≦δＥ ・・・（２）
δＥ＝（Ｅ１−Ｅ０）×０．１ ・・・（３）
のすべてを満たすことを特徴とする触媒付パティキュレートフィルタである。なお、本明細書及び特許請求の範囲全体において、「再生率」とは、フィルタ再生前の排気微粒子であるパティキュレート（ＰＭ）の全重量に対する、再生で燃焼したパティキュレートの重量の割合をいう。
The particulate filter with catalyst according to the present invention is a plurality of flow paths partitioned from each other by a plurality of cell walls, and is divided into two flow path groups, an upstream flow path group and a downstream flow path group. A plurality of channels, wherein the upstream channel group is closed at the downstream side by a downstream plug, and the downstream channel group is blocked at the upstream side by an upstream plug. A particulate filter having a catalyst structure, and a particulate filter with a catalyst, which is supported on the honeycomb structure and an oxidation catalyst for oxidizing and removing exhaust particulates mainly composed of carbon. And a catalyst disposition portion where the oxidation catalyst is disposed on the exhaust inlet side, and a catalyst non-arrangement portion where the oxidation catalyst is not disposed on the exhaust outlet side with respect to the length direction. Against the total length of the road The catalyst arrangement ratio, which is the ratio of the length of the catalyst arrangement portion, is assumed to be X, the regeneration rate by removal of exhaust particulates is assumed to be E, the regeneration rate assuming that the catalyst arrangement ratio is 0 is assumed to be E0, and the catalyst arrangement ratio is assumed to be 1. When the playback rate is E1,
0 <X <1 (1)
−δE ≦ E−E0− (E1−E0) × X ≦ δE (2)
δE = (E1-E0) × 0.1 (3)
It is a particulate filter with a catalyst characterized by satisfying all of the above. In the present specification and claims as a whole, “regeneration rate” refers to the ratio of the weight of particulates burned by regeneration to the total weight of particulates (PM) that are exhaust particulates before filter regeneration. .
本発明に係る触媒付パティキュレートフィルタによれば、ハニカム構造体の下流側にアッシュ等の燃焼残留物が堆積する場合でも、ある堆積量までは燃焼残留物の堆積量にかかわらず再生率の変化をほぼ一定として、再生率の変化を抑制できる。また、その再生率の変化を抑制できる期間等の範囲を十分に大きくできる。 According to the particulate filter with catalyst according to the present invention, even when combustion residues such as ash accumulate on the downstream side of the honeycomb structure, the regeneration rate changes up to a certain accumulation amount regardless of the accumulation amount of the combustion residue. Is substantially constant, and the change in the reproduction rate can be suppressed. Moreover, the range of the period etc. which can suppress the change of the reproduction rate can be enlarged sufficiently.
また、本発明に係る触媒付パティキュレートフィルタにおいて、好ましくは、（Ｅ１−Ｅ０）Ｘ＝Ｅ−Ｅ０を満たす。 In the particulate filter with catalyst according to the present invention, preferably, (E1−E0) X = E−E0 is satisfied.
また、本発明に係る排ガス浄化排出システムは、本発明に係る触媒付パティキュレートフィルタと、触媒付パティキュレートフィルタの上流側に燃料を供給する供給部とを備え、さらに触媒付パティキュレートフィルタを通過する排気ガスの最高温度が、排気ガス中に含まれる燃焼残留物の粘着性を抑制するための予め設定した境界温度以下となるように規制されている。より好ましくは、境界温度は１０５０℃とする。 The exhaust gas purification / discharge system according to the present invention includes the particulate filter with catalyst according to the present invention, and a supply unit that supplies fuel to the upstream side of the particulate filter with catalyst, and further passes through the particulate filter with catalyst. The maximum temperature of the exhaust gas is regulated so as to be equal to or lower than a preset boundary temperature for suppressing the stickiness of the combustion residue contained in the exhaust gas. More preferably, the boundary temperature is 1050 ° C.
上記構成によれば、燃焼残留物がパティキュレートフィルタの排気出口側に堆積しやすくなるので、より効率よくパティキュレートフィルタの再生性能の変化を抑制できる。 According to the above configuration, the combustion residue easily accumulates on the exhaust outlet side of the particulate filter, so that the change in the regeneration performance of the particulate filter can be suppressed more efficiently.
また、本発明に係る触媒配置部割合算出方法は、複数のセル壁により互いに仕切られた複数の流路であって、上流側流路群と下流側流路群との２の流路群に区分されている複数の流路を有するハニカム構造体であって、上流側流路群は、下流側が下流側栓により塞がれており、下流側流路群は、上流側が上流側栓により塞がれているハニカム構造体と、ハニカム構造体に担持され、カーボンを主成分とする排気微粒子を酸化し除去するための酸化触媒とを備える触媒付パティキュレートフィルタであって、ハニカム構造体は、長さ方向に関して排気入口側に設けられ、酸化触媒が配置される触媒配置部と、長さ方向に関して排気出口側に設けられ、酸化触媒が配置されない触媒非配置部とを含む触媒付パティキュレートフィルタに対して、排気微粒子の除去による再生率Ｅを所望値近傍に維持するために、ハニカム構造体の上流側流路の全長に対する触媒配置部の長さの割合である触媒配置割合Ｘをコンピュータを用いて算出する算出方法であって、予め求められた再生率Ｅと触媒配置割合Ｘとの再生率触媒割合関係を予め記憶部に記憶させるステップと、再生率Ｅを受け取るステップと、受け取った再生率Ｅから再生率触媒割合関係に応じて触媒配置割合Ｘを取得するステップと、取得された触媒配置割合Ｘを出力するステップとを備えることを特徴とする触媒付パティキュレートフィルタの触媒配置部割合算出方法である。 Further, the catalyst arrangement portion ratio calculation method according to the present invention is a plurality of flow paths partitioned from each other by a plurality of cell walls, and is divided into two flow path groups, an upstream flow path group and a downstream flow path group. A honeycomb structure having a plurality of divided flow paths, wherein the upstream flow path group is closed at the downstream side by a downstream plug, and the downstream flow path group is closed at the upstream side by an upstream plug. A particulate filter with a catalyst, comprising a honeycomb structure that is peeled, and an oxidation catalyst that is carried on the honeycomb structure and oxidizes and removes exhaust particulates mainly composed of carbon, the honeycomb structure comprising: A particulate filter with catalyst, which is provided on the exhaust inlet side with respect to the length direction and where the oxidation catalyst is disposed, and a catalyst non-arrangement portion which is provided on the exhaust outlet side with respect to the length direction and where the oxidation catalyst is not disposed. Against In order to maintain the regeneration rate E due to the removal of the fine particles in the vicinity of a desired value, a calculation for calculating a catalyst arrangement ratio X, which is a ratio of the length of the catalyst arrangement portion with respect to the total length of the upstream flow path of the honeycomb structure, using a computer A method for storing a regeneration rate catalyst ratio relationship between a regeneration rate E and a catalyst arrangement ratio X obtained in advance in a storage unit, a step of receiving the regeneration rate E, and a regeneration rate from the received regeneration rate E. A method for calculating a catalyst arrangement portion ratio of a particulate filter with a catalyst, comprising: obtaining a catalyst arrangement ratio X in accordance with a catalyst ratio relationship; and outputting the acquired catalyst arrangement ratio X.
本発明に係る触媒配置部割合算出方法によれば、効率よく触媒付パティキュレートフィルタの触媒配置割合の最適値を算出できるので、その最適値を用いて、内部での燃焼残留物の堆積にかかわらず、再生性能の変化を効率よく抑制できる触媒付パティキュレートフィルタを実現できる。 According to the catalyst arrangement portion ratio calculating method according to the present invention, the optimum value of the catalyst arrangement ratio of the particulate filter with catalyst can be calculated efficiently, so that the optimum value can be used regardless of the accumulation of combustion residues inside. Therefore, it is possible to realize a particulate filter with a catalyst that can efficiently suppress a change in regeneration performance.
また、本発明に係る触媒配置部割合算出装置は、複数のセル壁により互いに仕切られた複数の流路であって、上流側流路群と下流側流路群との２の流路群に区分されている複数の流路を有するハニカム構造体であって、上流側流路群は、下流側が下流側栓により塞がれており、下流側流路群は、上流側が上流側栓により塞がれているハニカム構造体と、ハニカム構造体に担持され、カーボンを主成分とする排気微粒子を酸化し除去するための酸化触媒とを備える触媒付パティキュレートフィルタであって、ハニカム構造体は、長さ方向に関して排気入口側に設けられ、酸化触媒が配置される触媒配置部と、長さ方向に関して排気出口側に設けられ、酸化触媒が配置されない触媒非配置部とを含む触媒付パティキュレートフィルタに対して、排気微粒子の除去による再生率Ｅを所望値近傍に維持するために、ハニカム構造体の上流側流路の全長に対する触媒配置部の長さの割合である触媒配置割合Ｘを算出する算出装置であって、予め求められた再生率Ｅと触媒配置割合Ｘとの再生率触媒割合関係を予め記憶させる記憶部と、再生率Ｅを受け取る受け取り部と、受け取り部で受け取った再生率Ｅから再生率触媒割合関係に応じて触媒配置割合Ｘを取得する割合取得部と、取得された触媒配置割合Ｘを出力する出力部とを備えることを特徴とする触媒付パティキュレートフィルタの触媒配置部割合算出装置である。 Further, the catalyst arrangement portion ratio calculating apparatus according to the present invention includes a plurality of flow paths that are partitioned from each other by a plurality of cell walls, and includes two flow path groups, an upstream flow path group and a downstream flow path group. A honeycomb structure having a plurality of divided flow paths, wherein the upstream flow path group is closed at the downstream side by a downstream plug, and the downstream flow path group is closed at the upstream side by an upstream plug. A particulate filter with a catalyst, comprising a honeycomb structure that is peeled, and an oxidation catalyst that is carried on the honeycomb structure and oxidizes and removes exhaust particulates mainly composed of carbon, the honeycomb structure comprising: A particulate filter with catalyst, which is provided on the exhaust inlet side with respect to the length direction and where the oxidation catalyst is disposed, and a catalyst non-arrangement portion which is provided on the exhaust outlet side with respect to the length direction and where the oxidation catalyst is not disposed. Against A calculation device for calculating a catalyst arrangement ratio X, which is a ratio of the length of the catalyst arrangement portion to the entire length of the upstream flow path of the honeycomb structure, in order to maintain the regeneration rate E by removal of the fine particles in the vicinity of a desired value. A storage unit that stores in advance a regeneration rate catalyst ratio relationship between the regeneration rate E and the catalyst arrangement ratio X determined in advance, a receiving unit that receives the regeneration rate E, and a regeneration rate catalyst ratio from the regeneration rate E received by the receiving unit A catalyst placement portion ratio calculation device for a particulate filter with a catalyst, comprising: a ratio acquisition unit that acquires a catalyst placement ratio X according to a relationship; and an output unit that outputs the acquired catalyst placement ratio X. .
本発明に係る触媒配置部割合算出装置によれば、効率よく触媒付パティキュレートフィルタの触媒配置割合の最適値を算出できるので、その最適値を用いて、内部での燃焼残留物の堆積にかかわらず、再生性能の変化を効率よく抑制できる触媒付パティキュレートフィルタを実現できる。 According to the catalyst arrangement portion ratio calculating apparatus according to the present invention, the optimum value of the catalyst arrangement ratio of the particulate filter with catalyst can be calculated efficiently, so that the optimum value is used for the accumulation of the combustion residue inside. Therefore, it is possible to realize a particulate filter with a catalyst that can efficiently suppress a change in regeneration performance.
本発明に係る触媒付パティキュレートフィルタ、排ガス浄化排出システム、触媒配置部割合算出方法、及び触媒配置部割合算出装置によれば、酸化触媒を設けるパティキュレートフィルタにおいて、内部での燃焼残留物の堆積にかかわらず、再生性能の変化を効率よく抑制できる。 According to the particulate filter with catalyst, the exhaust gas purification / discharge system, the catalyst arrangement portion ratio calculation method, and the catalyst arrangement portion ratio calculation device according to the present invention, in the particulate filter provided with the oxidation catalyst, the accumulation of combustion residues inside Regardless of this, changes in playback performance can be efficiently suppressed.
以下において、図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態の触媒付パティキュレートフィルタを含む排ガス浄化排出システムの全体構成を示している。 Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows an overall configuration of an exhaust gas purification / discharge system including a particulate filter with a catalyst according to an embodiment of the present invention.
図１に示すように、本実施の形態の排ガス浄化排出システムは、内燃機関であるディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという。）１０に接続され、エンジン１０の燃焼室で燃料が燃焼されることにより生じる排ガスを外部に排出するために使用する。排ガス浄化排出システムは、エンジン１０の排気マニホールド（図示せず）に排気管を含む排ガス経路１２を接続しており、排ガス経路１２により、排ガス浄化装置１４と、ＰＭ酸化触媒を有する触媒付パティキュレートフィルタ（以下、単にＤＰＦという。）１６とを、上流側から下流側に順に接続している。また、排ガス経路１２において、排気マニホールドと排ガス浄化装置１４との間に、被燃料供給部１８を設けている。被燃料供給部１８では、燃料供給部２０により燃料が供給され、排ガス経路１２を流れる排ガスに燃料が混合される。燃料混合後の排ガスは、下流側の排ガス浄化装置１４に送られる。
As shown in FIG. 1, the exhaust gas purification / discharge system of the present embodiment is connected to a diesel engine (hereinafter simply referred to as an engine) 10 that is an internal combustion engine, and fuel is combusted in a combustion chamber of the
排ガス浄化装置１４は、ＤＯＣと呼ばれる酸化触媒担持構造であり、上流側及び下流側の端部を塞がないハニカム構造に酸化触媒を含む触媒を担持させている。排ガス浄化装置１４は、排ガス中のＮＯｘや炭化水素（ＨＣ）等を浄化する機能を有する。
The exhaust
排ガス浄化装置１４を通過した排ガスは、ＤＰＦ１６に送られる。ＤＰＦ１６は、エンジン１０の排ガス中に含まれる排気微粒子であり、粒子状物質であるパティキュレート（Particulate matter）及びアッシュ等の燃焼残留物（以下、アッシュ等という。）を捕集し、パティキュレートを酸化、すなわち燃焼により除去するために使用する。
The exhaust gas that has passed through the exhaust
図２に示すように、ＤＰＦ１６は、ハニカム型であり、複数のセル壁である隔壁２２により互いに仕切られた複数の流路２４，２６を有するハニカム状に形成されたハニカム構造体であるフィルタ本体２７と、フィルタ本体２７に担持されたＰＭ酸化触媒とを備える。また、複数の流路２４，２６は、上流側流路群である流路２４及び下流側流路群である流路２６の、２の流路群に区分されている。上流側の流路２４は、下流側（図２の右側）が下流側栓（plug）２８により塞がれており、下流側の流路２６は、上流側（図２の左側）が上流側栓２９により塞がれている。複数の流路２４，２６により断面がチェッカーボード状であるハニカムが形成されている。上流側の流路２４の一部は下流側の流路２６によって囲まれており、下流側の流路２６の一部は上流側の流路２４に囲まれている。ＤＰＦ１６は、隔壁２２で排気ガスを通過可能とするが、上流側、下流側の各栓２８，２９では排ガスを通過不能とする。なお、ＤＰＦ１６は、図２では全体を円筒形としているが、このような構成に限定するものではない。
As shown in FIG. 2, the
図２の矢印α方向に流れる排気ガスは、上流側の流路２４の開口からＤＰＦ１６内に送られ、隔壁２２に設けられた細孔を通じて、下流側の流路２６に送られ、下流側の流路２４の開口から外側に排出される。排ガス中に含まれるパティキュレートは、隔壁２２を通過しにくいので、ＤＰＦ１６内で捕集される。このため、ＤＰＦ１６を通過する排ガスを浄化することが可能となる。
The exhaust gas flowing in the direction of arrow α in FIG. 2 is sent into the
また、ＤＰＦ１６にパティキュレートが過度に溜まると圧力損失が高くなり、性能悪化の原因となる。このため、ＤＰＦ１６では、燃料供給部２０（図１）により定期的に排ガス経路１２（図１）に燃料を供給する。燃料は排ガス中に混合され、排ガス浄化装置１４に送られ、排ガス浄化装置１４中で酸化、すなわち燃焼するため、排ガスが昇温し、昇温した排ガスがＤＰＦ１６に送られる。また、ＤＰＦ１６には未燃焼の燃料も送られる。このためフィルタ本体２７を構成する基材に直接または担体を介してＰＭ酸化触媒を担持させることにより、ＤＰＦ１６で燃料を酸化させて、すなわち燃焼させて排ガスをさらに昇温することができる。排ガスが昇温し、例えば６００度以上になると、ＤＰＦ１６内に溜まったパティキュレートを燃焼させ、除去することが可能となる。また、ＰＭ酸化触媒によりパティキュレートの酸化温度を低下させて、比較的低い温度でパティキュレートを燃焼し、除去することが可能となる。このため、本実施の形態のＤＰＦ１６は、ハニカム状のフィルタ本体２７を構成する基材にＰＭ酸化触媒を担持させている。すなわち、ＤＰＦ１６は、燃料供給部２０による燃料の供給により、パティキュレートを燃焼、除去する再生が行われるように構成している。なお、基材の材質は限定されないが、例えば、コージェライト、炭化ケイ素、ムライト等のセラミックスからなる基材等を使用できる。
In addition, excessive accumulation of particulates in the
また、ＰＭ酸化触媒は、例えばアルミナ等の金属酸化物からなる担体に、Ｐｔ、Ｐｄ等の貴金属を担持した触媒である。また、ＰＭ酸化触媒として、核となる銀粒子、及び、銀粒子の周囲を覆っている平均一次粒径が１〜１００ｎｍのセリア微粒子からなる凝集体を使用することもできる。銀粒子は、銀を単独で用いたものでもよいが、銀と銀以外の金属との２種以上の金属からなる合金を用いることもできる。さらに、銀粒子は、一部が酸化物を形成していてもよく、他の元素との化合物を形成していてもよい。銀粒子の一部が酸化物や化合物を形成している場合、銀の含有率が０．３質量％以上であることが好ましい。なお、銀粒子及びセリア微粒子そのものは一次粒子であり、前者が後者により覆われてなる二次粒子を凝集体とする。 The PM oxidation catalyst is a catalyst in which a noble metal such as Pt or Pd is supported on a carrier made of a metal oxide such as alumina. Moreover, the aggregate which consists of a silver particle used as a nucleus and a ceria microparticle with an average primary particle diameter of 1-100 nm covering the circumference | surroundings of a silver particle can also be used as PM oxidation catalyst. The silver particles may be one using silver alone, but an alloy composed of two or more metals of silver and a metal other than silver can also be used. Furthermore, part of the silver particles may form an oxide or may form a compound with another element. When a part of silver particles forms an oxide or a compound, the silver content is preferably 0.3% by mass or more. Silver particles and ceria fine particles themselves are primary particles, and secondary particles formed by covering the former with the latter are aggregates.
このような銀粒子は、酸素遊離材として機能する。このような銀粒子によって、効率的にパティキュレート等を酸化する反応系に酸素原子を取り込むことが可能になる。また、銀粒子は含酸素物質捕捉材として機能することもある。また、セリア微粒子は、還元剤としても作用するもので、銀粒子により生成された酸素活性種を移動することが可能なものであり、酸素活性移動材として機能する。受け取られた酸素活性種はセリア微粒子を移動して、吸着されているパティキュレートに到達することが可能になる。 Such silver particles function as an oxygen release material. Such silver particles make it possible to incorporate oxygen atoms into a reaction system that efficiently oxidizes particulates and the like. In addition, the silver particles may function as an oxygen-containing substance capturing material. The ceria fine particles also act as a reducing agent, can move the oxygen active species generated by the silver particles, and function as an oxygen active transfer material. The received oxygen active species can move through the ceria fine particles and reach the adsorbed particulates.
また、上記凝集体においては、セリア微粒子における酸素活性種の移動度を高めるとともにセリア粒子の粗大化をより有効に防止するために、Ｌａ、Ｎｄ等のＣｅ以外の希土類元素や、Ｚｒ、Ｙ、Ａｌ及びＳｉからなる群から選択される少なくとも一種の添加成分をさらに含有していることがより好ましい。 In the aggregate, in order to increase the mobility of the oxygen active species in the ceria fine particles and more effectively prevent the ceria particles from coarsening, rare earth elements other than Ce such as La and Nd, Zr, Y, More preferably, it further contains at least one additive component selected from the group consisting of Al and Si.
また、凝集体の平均粒径は特に限定されないが、０．０５〜０．５μｍであることが好ましく、０．０７〜０．２μｍであることがより好ましい。平均粒径が上記下限未満では含酸素物質と銀粒子との接触が阻害される傾向になり、他方、上記上限を超えるとセリア微粒子とパティキュレート等との接触が阻害される傾向にある。 The average particle size of the aggregate is not particularly limited, but is preferably 0.05 to 0.5 μm, and more preferably 0.07 to 0.2 μm. If the average particle diameter is less than the above lower limit, the contact between the oxygen-containing substance and the silver particles tends to be inhibited. On the other hand, if it exceeds the above upper limit, the contact between the ceria fine particles and the particulates tends to be inhibited.
また、このような凝集体は、分散性が高いことが好ましく、全凝集体のうちの６０容量％以上のものが上記平均粒径±５０％の範囲内の粒径を有していることが好ましい。凝集体の形状は限定されないが、球状であることが好ましい。 Such aggregates preferably have high dispersibility, and 60% by volume or more of all aggregates may have a particle size in the range of the above average particle size ± 50%. preferable. The shape of the aggregate is not limited, but is preferably spherical.
また、本実施の形態では、図３に示すように、ＤＰＦ１６は、エンジン側、すなわち長さ方向に関して排気入口側（図３の右側）に設けられ、ＰＭ酸化触媒が隔壁２２（図２）に配置された触媒配置部である触媒コート部３０と、長さ方向に関して排気出口側（図３の左側）に設けられ、ＰＭ酸化触媒が配置されない触媒非コート部３２とを備える。すなわち、ＤＰＦ１６は、上流側である排気入口端（図３の左端）から長手方向である軸線方向（図３の左右方向）に関する全長Ｌに対して、後述する所定の部分コート割合Ｘで触媒コート部３０を設けている。触媒コート部３０は、隔壁２２にＰＭ酸化触媒がコーティングにより設けられている。
Further, in the present embodiment, as shown in FIG. 3, the
すなわち、図３の長さＬｃで示す領域に触媒コート部３０を設け、触媒コート部３０にＰＭ酸化触媒をほぼ均一に配置している。また、触媒コート部３０よりも下流側部分を、ＰＭ酸化触媒を設けない触媒非配置部である触媒非コート部３２としている。このように、ＤＰＦ１６では、上流側の触媒コート部３０のみにＰＭ酸化触媒を集中配置している。逆にいえば、ＰＭ酸化触媒は、ＤＰＦ１６の排気出口端（図３の右端）から予め設定した所定長さ部分だけ排気入口側にはコーティングがされていない。ＤＰＦ１６の各隔壁２２（図２）に上流端から設ける触媒コート部３０の長さＬｃの、全長Ｌに対する割合であって、フィルタ本体２７の上流側流路２４（図２）の全長に対する触媒コート部３０の長さの割合である部分コート割合Ｘは、各隔壁２２で互いにほぼ同じとする。この部分コート割合Ｘは、設定される、すなわち要求される再生率に応じて設定する。これについては、後で詳しく説明する。
That is, the
また、好ましくは、ＤＰＦ１６の触媒コート部３０に設けるＰＭ酸化触媒として、上記の、核となる銀粒子、及び、銀粒子の周囲を覆っている平均一次粒径が１〜１００ｎｍのセリア微粒子からなる凝集体を用いる。
Preferably, the PM oxidation catalyst provided in the
また、好ましくは、ＤＰＦ１６を通過する排ガスの最高温度Ｔmaxが、排ガス中に含まれるアッシュ等の粘着性を抑制するための予め設定した境界温度Ｔcr以下となる（Ｔmax≦Ｔcr）ように規制している。このために、例えばエンジン制御等の種々の制御により最高温度Ｔmaxを規制している。例えば、ＤＰＦ１６の基材にコージェライトを用いる場合、境界温度Ｔcrを１０５０℃とする。
Preferably, the maximum temperature Tmax of the exhaust gas that passes through the
また、ＰＭ酸化触媒の部分コート割合Ｘは、要求される、すなわち設定される再生性能である要求再生率に応じて設定する。なお、「再生率」とは、ＤＰＦ１６におけるパティキュレートの除去による再生率であって、再生前のＤＰＦ１６におけるパティキュレートの重量に対する、再生でパティキュレートが燃焼して除去された後のＤＰＦ１６におけるパティキュレートの重量の割合をいう。
Further, the partial coating ratio X of the PM oxidation catalyst is set according to the required regeneration rate that is the required regeneration performance, that is, the regeneration performance that is set. The “regeneration rate” is a regeneration rate due to the removal of particulates in the
次に、要求される再生性能から、触媒配置部割合である、部分コート割合Ｘを設定したＤＰＦ１６と、その部分コート割合Ｘを設定する方法、すなわち算出する方法と、そ野算出に使用する装置とを説明する。まず、本発明者は、本実施の形態で設定する再生性能に応じた部分コート割合Ｘを求めるために、部分コート割合Ｘを０，５３、１、０．７５の３種類で変化させて、ＤＰＦ１６内でのアッシュの堆積状態と再生率との関係をシミュレーションにより求めた。
Next, from the required regeneration performance, the
このシミュレーションは、外径が直径１６ｃｍで、軸方向長さが１０ｃｍの円柱形状で、１平方インチ（＝６．４５ｃｍ2）当たりのセルピッチ、すなわち１平方インチの断面積当たりの流路数を３００とし、隔壁２２（図２）の厚さを１２ミリインチ（＝３０．５×１０-3ｃｍ）としたＤＰＦ１６を有する解析モデルを用いて行った。また、この解析モデルでは、ＤＰＦ１６にＰＭ酸化触媒を排気入口側から配置して、そのＰＭ酸化触媒の配置部の全長に対する長さ割合である部分コート割合Ｘを、０，５３、１、０．７５の３種類で異ならせた３種類の解析モデルとした。このような解析モデルは、上記の非特許文献１に記載されるように従来から公知の解析方法で作成した。例えば、ＤＰＦ１６内の流路２４，２６（図２）に触媒コーティングの影響を受ける第１層と、第１層の上に多量に堆積された煤が配置された第２層とがあると仮定し、熱的酸化やそれぞれの層での触媒コーティングによる酸化等を計算した。また、ＰＭ酸化触媒として、上記の、核となる銀粒子、及び、銀粒子の周囲を覆っている平均一次粒径が１〜１００ｎｍのセリア微粒子からなる凝集体を用いて計算した。
In this simulation, a cylindrical shape having an outer diameter of 16 cm and an axial length of 10 cm has a cell pitch per square inch (= 6.45 cm 2 ), that is, the number of channels per cross-sectional area of one square inch is 300. And an analysis model having a
そして、これらの解析モデルに対し、ＣＤ−adapco社製の熱流体解析ソフトウェアＳＴＡＲ−ＣＤによるＤＰＦ１６の再生解析のシミュレーションで、アッシュの堆積による再生性能の変化を解析した。なお、以下の説明では、図１から図３に示した要素と同等の要素には同一の符号を付して説明する。図４は、このシミュレーションの結果を示している。また、このシミュレーションでは、上記の非特許文献２にしたがって、ＤＰＦ１６内でアッシュはフィルタ本体２７の排気出口端から排気入口側に向かって流路２４，２６内を徐々に均一に埋めるように堆積し、ＤＰＦ１６中のアッシュが堆積している領域にはパティキュレートが侵入できないとした。また、図４では、アッシュの先端位置とは、フィルタ本体２７の排気出口端から排気入口側に向かって徐々に堆積するアッシュの排気入口側端であるアッシュ面の位置であり、この位置を境にして、出口側方向のみにアッシュが存在し、入口側方向へはアッシュは存在しない。
And with respect to these analysis models, the change in the regeneration performance due to the accumulation of ash was analyzed by simulation of the regeneration analysis of
図４に示すシミュレーション結果から、アッシュの先端位置が図３に「触媒非コート領域」として示した触媒非コート部３２中にある場合には、アッシュの堆積によるフィルタ本体２７の再生性能の変化は小さいことが分かる。また、アッシュの堆積量が増大し、その先端位置が図３に「触媒コート領域」として示した触媒コート部３０中に入ると、フィルタ本体２７の再生性能が急激に低下することが分かる。これは、アッシュが堆積している部分にＰＭ酸化触媒が設けられていても、ＰＭ酸化触媒とパティキュレートとの接触性が低下してパティキュレートの酸化反応が阻害されることによると考えられる。
From the simulation results shown in FIG. 4, when the ash tip position is in the catalyst
このような図４の結果から得られた知見から、本発明者は、ＤＰＦ１６の部分コート割合Ｘが一般の値の場合のＤＰＦ１６の再生率とアッシュ先端位置との関係は、図５に示すようになると考えた。図５では、横軸にアッシュの先端位置をとり、縦軸にＤＰＦ１６の再生率をとり、ＤＰＦ１６のフィルタ本体２７の全長をＬとしている。この場合、部分コート割合Ｘが１の場合にアッシュの先端位置が排気入口端から排気出口側に近づくほど、ＤＰＦ１６の再生率は直線的に増大する。また、触媒コート部３０の軸方向長さをＬｃとした場合、すなわち部分コート割合ＸがＬｃ／Ｌとなる場合にアッシュの先端位置が排気入口側端から排気出口端側に近づくにしたがって、アッシュの先端位置がＬｃとなるまではＤＰＦ１６の再生率は、Ｘ＝１の場合の関係と同一になるが、アッシュの先端位置がＬｃとＬとの間では再生率は一定値に維持される。
From the knowledge obtained from the results of FIG. 4, the present inventor has shown that the relationship between the regeneration rate of the
そして図５の結果から、本発明者は、要求される再生率を満足し、アッシュ等の先端位置が図３の触媒非コート部３２にある場合に、アッシュによる再生性能劣化を少なくできるＤＰＦ１６を実現するための、部分コート割合を決定する方法を考えるに至った。
From the results shown in FIG. 5, the present inventor has obtained a
これを図６を用いて詳しく説明すると、部分コート割合Ｘが０である、すなわちフィルタ本体２７にＰＭ酸化触媒がコーティングされている部分がない場合のＤＰＦ１６の再生率をＥ０とし、部分コート割合Ｘが１である、すなわちフィルタ本体２７の全長にわたってＰＭ酸化触媒がコーティングされている場合のＤＰＦ１６の再生率をＥ１とする。この場合、ＤＰＦ１６に要求される再生率をＥとすると、図６の関係から、部分コート割合Ｘが１であり、再生率がＥ１である点Ｐ１と、横軸及び縦軸の交点であるグラフの原点とを結ぶ直線Ｑ上で再生率がＥとなる場合の部分コート割合Ｘを取得することができる。すなわち図６の縦軸でＥを通る横軸と平行な直線Ｓと直線Ｑとの交点で縦軸に平行に引いた直線Ｔが横軸と交わる点から、ＤＰＦ１６で設定が要求される部分コート割合Ｘが求められる。
This will be described in detail with reference to FIG. 6. When the partial coating ratio X is 0, that is, when the
次に、図６の関係からフィルタ本体２７の部分コート割合を決定する方法を用いた適用事例のシミュレーションについて説明する。このシミュレーションでは、上記の図４で結果を示したシミュレーションの場合と同様の解析モデルを用いて行った。すなわち、このシミュレーションでも、外径が直径１６ｃｍで、軸方向長さが１０ｃｍの円柱形状で、１平方インチ（＝６．４５ｃｍ2）当たりのセルピッチ、すなわち１平方インチの断面積当たりの流路数を３００とし、隔壁２２（図２）の厚さを１２ミリインチ（＝３０．５×１０-3ｃｍ）としたＤＰＦ１６を有する解析モデルを用いて行った。そして、この解析モデルで部分コート割合Ｘの値を０と１とで異ならせた２種類のモデルを作成し、熱流体解析ソフトウェアＳＴＡＲ−ＣＤによって、ＤＰＦ１６の再生性能を評価した。図７は、このシミュレーション結果を示している。
Next, simulation of an application example using the method of determining the partial coat ratio of the filter
図７のシミュレーション結果から明らかなように、部分コート割合Ｘが０の場合にＤＰＦ１６の再生率Ｅ０は５５．２％となり、部分コート割合Ｘが１の場合にＤＰＦ１６の再生率Ｅ１は９７．２％となった。そこで、要求再生性能として再生率が８５％である場合に、この要求再生率を満たす部分コート割合Ｘを算出したところ、図７に示すように、部分コート割合Ｘとして０．７２の値が得られた。
As is clear from the simulation results of FIG. 7, when the partial coat ratio X is 0, the regeneration rate E0 of the
そこで、次に、部分コート割合Ｘが０．７２（Ｘ＝０．７２）であるＤＰＦ１６の解析モデルを作成し、アッシュの堆積による再生性能の変化を解析するシミュレーションを行った。図８は、このシミュレーションの結果を示している。図８の結果からあきらかなように、Ｘ＝０．７２の解析モデルでは、アッシュの先端位置が触媒非コート部３２の排気入口端からの長さで、１００ｍｍから７２ｍｍになるまでは再生性能を８５％以上と高くでき、しかもアッシュの堆積にかかわらず再生率をほぼ一定に維持できることを確認できた。
Therefore, next, an analysis model of
そして本発明者は、このような知見から、要求される再生性能から、最適な触媒配置部割合である、部分コート割合Ｘを設定したＤＰＦ１６を考えた。図９は、本実施の形態のＤＰＦにおいて、部分コート割合Ｘと再生率との関係を示す図である。図９において、直線Ｑを求める方法は、上記の図６で直線Ｑを求める方法と同様である。そして本発明者は、この直線Ｑと完全に一致する場合だけでなく、直線Ｑと近傍の範囲、すなわち図９の直線Ｑの両側近傍に配置される直線Ｌ１，Ｌ２の間部分で部分コート割合Ｘと再生率Ｅとの関係が成立する場合も、フィルタ本体２７内でのアッシュの堆積にかかわらずＤＰＦ１６の再生率をほぼ一定に維持できると考えた。
And from this knowledge, this inventor considered DPF16 which set the partial coat ratio X which is the optimal catalyst arrangement | positioning part ratio from the reproduction | regeneration performance requested | required. FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the partial coat ratio X and the regeneration rate in the DPF of the present embodiment. In FIG. 9, the method for obtaining the straight line Q is the same as the method for obtaining the straight line Q in FIG. The present inventor not only makes the straight line Q coincide with the straight line Q but also a partial coating ratio in a range in the vicinity of the straight line Q, that is, a portion between the straight lines L1 and L2 arranged on both sides of the straight line Q in FIG. Even when the relationship between X and the regeneration rate E is established, it is considered that the regeneration rate of the
すなわち、本実施の形態では、フィルタ本体２７の上流側流路２４の全長に対する触媒コート部３０の長さの割合である部分コート割合をＸとし、ＤＰＦ１６におけるパティキュレートの除去による再生率をＥとし、部分コート割合を０と仮定した再生率をＥ０とし、部分コート割合を１と仮定した再生率をＥ１とした場合に、
０＜Ｘ＜１ ・・・（１）
−δＥ≦Ｅ−Ｅ０−（Ｅ１−Ｅ０）×Ｘ≦δＥ ・・・（２）
δＥ＝（Ｅ１−Ｅ０）×０．１ ・・・（３）
のすべてを満たすように、再生率Ｅと部分コート割合Ｘとの関係を規制している。したがって、これら（１）から（３）の関係を満たす場合には、再生率Ｅと部分コート割合Ｘとの関係が、図９の直線Ｌ１，Ｌ２の間である矢印Ａで示す範囲部分にあることになる。
That is, in the present embodiment, the partial coat ratio, which is the ratio of the length of the
0 <X <1 (1)
−δE ≦ E−E0− (E1−E0) × X ≦ δE (2)
δE = (E1-E0) × 0.1 (3)
The relationship between the regeneration rate E and the partial coat ratio X is regulated so that all of the above are satisfied. Therefore, when the relationships (1) to (3) are satisfied, the relationship between the reproduction rate E and the partial coat ratio X is in the range indicated by the arrow A between the straight lines L1 and L2 in FIG. It will be.
また、好ましくは、（Ｅ１−Ｅ０）Ｘ＝Ｅ−Ｅ０を満たすように、再生率Ｅと部分コート割合Ｘとの関係を規制する。この場合には、再生率Ｅと部分コート割合Ｘとの関係が、図９の直線Ｑ上にあることになる。 Preferably, the relationship between the reproduction rate E and the partial coat ratio X is regulated so as to satisfy (E1-E0) X = E-E0. In this case, the relationship between the reproduction rate E and the partial coat ratio X is on the straight line Q in FIG.
また、このような関係を用いて要求される再生率Ｅから設定される部分コート割合Ｘを決定する、すなわち部分コート割合Ｘを算出するために、次の部分コート割合算出装置と部分コート割合算出方法を用いる。図１０は、本実施の形態の部分コート割合算出装置であるコンピュータを示しており、図１１は、このコンピュータを用いた部分コート割合算出方法を示している。 Further, in order to determine the partial coat ratio X set from the required reproduction rate E using such a relationship, that is, to calculate the partial coat ratio X, the following partial coat ratio calculation device and partial coat ratio calculation Use the method. FIG. 10 shows a computer which is a partial coat ratio calculation apparatus according to the present embodiment, and FIG. 11 shows a partial coat ratio calculation method using this computer.
図１０に示すように、コンピュータ３４は、算出装置であり、上記のＤＰＦ１６に対して、パティキュレートの除去による再生率Ｅを所望値近傍に維持するために、部分コート割合Ｘを算出する機能を有する。コンピュータ３４は、予め図９に示すように求められた再生率Ｅと部分コート割合Ｘとの再生率触媒割合関係をマップ等のデータとして、予め記憶させる記憶部３６と、ユーザのキーボード等の入力部（図示せず）の操作等に応じて再生率Ｅを受け取る受け取り部３８とを備える。また、コンピュータ３４は、受け取り部３８で受け取った再生率Ｅから記憶部３６で記憶された再生率触媒割合関係に応じて、再生率Ｅに対応する部分コート割合Ｘを取得する、すなわち算出する割合取得部４０と、取得された部分コート割合Ｘを出力するディスプレイ等の出力部４２とを備える。
As shown in FIG. 10, the
また、図１１に示すように、部分コート割合算出方法は、上記のＤＰＦ１６に対して、パティキュレートの除去による再生率Ｅを所望値近傍に維持するために、部分コート割合Ｘを、上記のコンピュータ３４（図１０）を用いて算出する。この算出方法は、予め求められた再生率Ｅと部分コート割合Ｘとの再生率触媒割合関係をマップ等のデータとして、予め記憶部３６（図１０）に記憶させる記憶ステップと、ユーザのキーボード等の入力部の操作等に応じて受け取り部３８（図１０）で再生率Ｅを受け取る、受け取りステップとを含む。また、算出方法は、受け取り部３８で受け取った再生率Ｅから記憶部３６で記憶された再生率触媒割合関係に応じて、再生率Ｅに対応する部分コート割合Ｘを割合取得部４０（図１０）で取得する、すなわち算出する割合取得ステップと、取得された部分コート割合Ｘをディスプレイ等の出力部４２（図１０）で出力する出力ステップとを含む。
Further, as shown in FIG. 11, the partial coat ratio calculation method uses the above-mentioned computer for calculating the partial coat ratio X in order to maintain the regeneration rate E by the removal of the particulate matter in the vicinity of the desired value with respect to the
このような本実施の形態のＤＰＦ１６、排ガス浄化排出システム、部分コート割合算出方法、及び部分コート割合算出装置によれば、ＰＭ酸化触媒を設けるＤＰＦ１６において、内部でのアッシュ等の堆積にかかわらず、再生性能の変化を効率よく抑制できる。すなわち、本実施の形態のＤＰＦ１６によれば、フィルタ本体２７の下流側にアッシュ等が堆積する場合でも、ある堆積量まではアッシュ等の堆積量にかかわらず再生率の変化をほぼ一定として、再生率の変化を抑制できる。また、その再生率の変化を抑制できる期間等の範囲を十分に大きくできる。
According to the
また、本実施の形態の排ガス浄化排出システムによれば、上記のＤＰＦ１６と、ＤＰＦ１６の上流側に燃料を供給する燃料供給部２０とを備え、さらにＤＰＦ１６を通過する排ガスの最高温度Ｔmaxが、排ガス中に含まれるアッシュ等の粘着性を抑制するための予め設定した境界温度Ｔcr以下（例えば１０５０℃以下）となるように規制されている。このため、アッシュ等がフィルタ本体２７の上流側流路２４の排気出口側に堆積しやすくなるので、より効率よくＤＰＦ１６の再生性能の変化を抑制できる。なお、このようなＤＰＦ１６は、例えばＰＭ酸化触媒のスラリー中に、ＰＭ酸化触媒を設ける以前のパティキュレートフィルタを浸漬する等により、触媒コート部３０に対応する部分にのみＰＭ酸化触媒をコーティングして作成する。この場合、ＤＰＦ１６の上流側流路２４だけでなく、下流側流路２６にも配置割合が同様に規制された触媒コート部３０が排気入口側にも設けられることになる。ただし、本発明では、必ずしも下流側流路２６での触媒コート部の配置割合を規制する必要はない。
Further, according to the exhaust gas purification / discharge system of the present embodiment, the
また、本実施の形態の部分コート割合算出方法及び部分コート割合算出装置によれば、効率よくＤＰＦ１６の部分コート割合Ｘの最適値を算出できるので、その最適値を用いて、内部でのアッシュ等の堆積にかかわらず、再生性能の変化を効率よく抑制できるＤＰＦ１６を設計等により実現できる。すなわち、アッシュ等がある量まで堆積するまでは再生率がほぼ変化しないＤＰＦ１６の設計が可能となる。また、この再生率が低下するまでのアッシュ等の堆積量は、要求再生率に応じて予め推定できるので、この堆積量に達するまでに十分余裕がある期間内にＤＰＦ１６を交換することで常にほぼ変化しない再生率でＤＰＦ１６を再生することが可能となる。
In addition, according to the partial coat ratio calculation method and the partial coat ratio calculation apparatus of the present embodiment, the optimum value of the partial coat ratio X of the
１０ ディーゼルエンジン、１２ 排ガス経路、１４ 排ガス浄化装置、１６ パティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）、１８ 被燃料供給部、２０ 燃料供給部、２２ 隔壁、２４，２６ 流路、２７ フィルタ本体２７、２８ 下流側栓、２９ 上流側栓、３０ 触媒コート部、３２ 触媒非コート部、３４ コンピュータ、３６ 記憶部、３８ 受け取り部、４０ 割合取得部、４２ 出力部。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
上流側流路群は、下流側が下流側栓により塞がれており、
下流側流路群は、上流側が上流側栓により塞がれているハニカム構造体と、
ハニカム構造体に担持され、カーボンを主成分とする排気微粒子を酸化し除去するための酸化触媒とを備える触媒付パティキュレートフィルタであって、
ハニカム構造体は、長さ方向に関して排気入口側に設けられ、酸化触媒が配置される触媒配置部と、長さ方向に関して排気出口側に設けられ、酸化触媒が配置されない触媒非配置部とを含み、
ハニカム構造体の上流側流路の全長に対する触媒配置部の長さの割合である触媒配置割合をＸとし、排気微粒子の除去による再生率をＥとし、触媒配置割合を０と仮定した再生率をＥ０とし、触媒配置割合を１と仮定した再生率をＥ１とした場合に、
０＜Ｘ＜１ ・・・（１）
−δＥ≦Ｅ−Ｅ０−（Ｅ１−Ｅ０）×Ｘ≦δＥ ・・・（２）
δＥ＝（Ｅ１−Ｅ０）×０．１ ・・・（３）
のすべてを満たすことを特徴とする触媒付パティキュレートフィルタ。 A honeycomb structure having a plurality of flow paths partitioned from each other by a plurality of cell walls and divided into two flow path groups, an upstream flow path group and a downstream flow path group There,
In the upstream flow path group, the downstream side is blocked by the downstream stopper,
The downstream flow path group includes a honeycomb structure in which the upstream side is closed by the upstream side plug,
A particulate filter with catalyst, which is supported on a honeycomb structure and includes an oxidation catalyst for oxidizing and removing exhaust particulates mainly composed of carbon,
The honeycomb structure includes a catalyst arrangement portion provided on the exhaust inlet side with respect to the length direction and in which the oxidation catalyst is arranged, and a catalyst non-arrangement portion provided on the exhaust outlet side with respect to the length direction and in which the oxidation catalyst is not arranged. ,
Assuming that the catalyst arrangement ratio, which is the ratio of the length of the catalyst arrangement portion to the total length of the upstream flow path of the honeycomb structure, is X, the regeneration ratio by removing exhaust particulates is E, and the regeneration ratio assuming that the catalyst arrangement ratio is 0 When E0 is assumed and the regeneration rate assuming that the catalyst arrangement ratio is 1 is E1,
0 <X <1 (1)
−δE ≦ E−E0− (E1−E0) × X ≦ δE (2)
δE = (E1-E0) × 0.1 (3)
Particulate filter with catalyst characterized by satisfying all of the above.
（Ｅ１−Ｅ０）Ｘ＝Ｅ−Ｅ０を満たすことを特徴とする触媒付パティキュレートフィルタ。 The particulate filter with catalyst according to claim 1,
(E1-E0) A particulate filter with a catalyst satisfying X = E-E0.
触媒付パティキュレートフィルタの上流側に燃料を供給する供給部とを備え、
さらに触媒付パティキュレートフィルタを通過する排気ガスの最高温度が、排気ガス中に含まれる燃焼残留物の粘着性を抑制するための予め設定した境界温度以下となるように規制されていることを特徴とする排ガス浄化排出システム。 A particulate filter with catalyst according to claim 1 or 2,
A supply unit for supplying fuel to the upstream side of the particulate filter with catalyst,
Further, the maximum temperature of the exhaust gas that passes through the particulate filter with catalyst is regulated so as to be equal to or lower than a preset boundary temperature for suppressing the stickiness of the combustion residue contained in the exhaust gas. Exhaust gas purification and exhaust system.
上流側流路群は、下流側が下流側栓により塞がれており、
下流側流路群は、上流側が上流側栓により塞がれているハニカム構造体と、
ハニカム構造体に担持され、カーボンを主成分とする排気微粒子を酸化し除去するための酸化触媒とを備える触媒付パティキュレートフィルタであって、
ハニカム構造体は、長さ方向に関して排気入口側に設けられ、酸化触媒が配置される触媒配置部と、長さ方向に関して排気出口側に設けられ、酸化触媒が配置されない触媒非配置部とを含む触媒付パティキュレートフィルタに対して、排気微粒子の除去による再生率Ｅを所望値近傍に維持するために、ハニカム構造体の上流側流路の全長に対する触媒配置部の長さの割合である触媒配置割合Ｘをコンピュータを用いて算出する算出方法であって、
予め求められた再生率Ｅと触媒配置割合Ｘとの再生率触媒割合関係を予め記憶部に記憶させるステップと、
再生率Ｅを受け取るステップと、
受け取った再生率Ｅから再生率触媒割合関係に応じて触媒配置割合Ｘを取得するステップと、
取得された触媒配置割合Ｘを出力するステップとを備えることを特徴とする触媒付パティキュレートフィルタの触媒配置部割合算出方法。 A honeycomb structure having a plurality of flow paths partitioned from each other by a plurality of cell walls and divided into two flow path groups, an upstream flow path group and a downstream flow path group There,
In the upstream flow path group, the downstream side is blocked by the downstream stopper,
The downstream flow path group includes a honeycomb structure in which the upstream side is closed by the upstream side plug,
A particulate filter with catalyst, which is supported on a honeycomb structure and includes an oxidation catalyst for oxidizing and removing exhaust particulates mainly composed of carbon,
The honeycomb structure includes a catalyst placement portion that is provided on the exhaust inlet side in the length direction and on which the oxidation catalyst is disposed, and a catalyst non-placement portion that is provided on the exhaust outlet side in the length direction and on which the oxidation catalyst is not disposed. In order to maintain the regeneration rate E by the removal of exhaust particulates in the vicinity of a desired value with respect to the particulate filter with catalyst, the catalyst arrangement which is the ratio of the length of the catalyst arrangement part to the total length of the upstream flow path of the honeycomb structure A calculation method for calculating the ratio X using a computer,
Storing the regeneration rate catalyst ratio relationship between the regeneration rate E and the catalyst arrangement ratio X determined in advance in a storage unit;
Receiving a playback rate E;
Obtaining the catalyst arrangement ratio X from the received regeneration ratio E according to the regeneration ratio catalyst ratio relationship;
And a step of outputting the obtained catalyst arrangement ratio X. A method for calculating the catalyst arrangement ratio of the particulate filter with catalyst.
上流側流路群は、下流側が下流側栓により塞がれており、
下流側流路群は、上流側が上流側栓により塞がれているハニカム構造体と、
ハニカム構造体に担持され、カーボンを主成分とする排気微粒子を酸化し除去するための酸化触媒とを備える触媒付パティキュレートフィルタであって、
ハニカム構造体は、長さ方向に関して排気入口側に設けられ、酸化触媒が配置される触媒配置部と、長さ方向に関して排気出口側に設けられ、酸化触媒が配置されない触媒非配置部とを含む触媒付パティキュレートフィルタに対して、排気微粒子の除去による再生率Ｅを所望値近傍に維持するために、ハニカム構造体の上流側流路の全長に対する触媒配置部の長さの割合である触媒配置割合Ｘを算出する算出装置であって、
予め求められた再生率Ｅと触媒配置割合Ｘとの再生率触媒割合関係を予め記憶させる記憶部と、
再生率Ｅを受け取る受け取り部と、
受け取り部で受け取った再生率Ｅから再生率触媒割合関係に応じて触媒配置割合Ｘを取得する割合取得部と、
取得された触媒配置割合Ｘを出力する出力部とを備えることを特徴とする触媒付パティキュレートフィルタの触媒配置部割合算出装置。 A honeycomb structure having a plurality of flow paths partitioned from each other by a plurality of cell walls and divided into two flow path groups, an upstream flow path group and a downstream flow path group There,
In the upstream flow path group, the downstream side is blocked by the downstream stopper,
The downstream flow path group includes a honeycomb structure in which the upstream side is closed by the upstream side plug,
A particulate filter with catalyst, which is supported on a honeycomb structure and includes an oxidation catalyst for oxidizing and removing exhaust particulates mainly composed of carbon,
The honeycomb structure includes a catalyst placement portion that is provided on the exhaust inlet side in the length direction and on which the oxidation catalyst is disposed, and a catalyst non-placement portion that is provided on the exhaust outlet side in the length direction and on which the oxidation catalyst is not disposed. In order to maintain the regeneration rate E by the removal of exhaust particulates in the vicinity of a desired value with respect to the particulate filter with catalyst, the catalyst arrangement which is the ratio of the length of the catalyst arrangement part to the total length of the upstream flow path of the honeycomb structure A calculation device for calculating the ratio X,
A storage unit that stores in advance a regeneration rate catalyst ratio relationship between the regeneration rate E and the catalyst arrangement ratio X that are obtained in advance;
A receiving unit for receiving the playback rate E;
A ratio acquisition unit that acquires a catalyst arrangement ratio X according to a regeneration rate catalyst ratio relationship from the regeneration rate E received by the receiving unit;
An output unit for outputting the obtained catalyst arrangement ratio X. A catalyst arrangement part ratio calculation apparatus for a particulate filter with a catalyst, comprising:
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