JP3959611B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関（以下、エンジンという）の排気系に設けられて、排ガス中のパティキュレート・マター（以下、ＰＭと略す）を捕集するパティキュレートフィルタを備えた排気浄化装置に関するものである。
【０００２】
【関連する背景技術】
ディーゼルエンジン等から排出される排ガスには、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯx等のほかにＰＭが多く含まれており、このＰＭを処理するための後処理装置としてパティキュレートフィルタが提案されている。当該フィルタは、排ガスの流れ方向に沿う多数の通路の上流側と下流側の開口部を交互に閉鎖して、通路を形成する多孔質の仕切壁を経て排ガスを流通させる所謂ウォールフロー式として構成されており、仕切壁を流通する際に排ガス中のＰＭを捕集している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記フィルタに堆積したＰＭは、排気温度が高い運転状態のときに自然着火により焼却除去されるが、この自然着火による連続再生作用が得られない運転状態が継続されて、フィルタ上のＰＭの堆積量が次第に増加することもある。このような場合、上記したウォールフロー式のフィルタでは仕切壁の目詰まりに直結し、排気抵抗の急増により正常なエンジンの運転を維持できなくなってしまう。
【０００４】
そこで、ＰＭの堆積量が許容値を越えたときに、堆積しているＰＭを強制的に焼却除去する強制再生処理を実施する必要がある。強制再生処理としては、例えば膨張行程或いは排気行程で追加燃料を噴射するポスト噴射、或いは排気系に設けた未燃燃料供給手段からの未燃燃料の供給等が挙げられ、供給した燃料を燃焼させてフィルタの昇温を図っているが、この強制再生処理の実施のために燃料消費量が増加したり、排ガス浄化装置の構成が複雑化したりするという弊害があった。
【０００５】
本発明の目的は、強制再生処理の実施による弊害を回避した上で、目詰まりを生じることなく確実にＰＭの排出量を低減することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、内燃機関の排気系に設けられ、複数の仕切壁によって形成された排ガスの流れ方向に沿う複数の通路を有するフロースルー型のトラップ装置と、排気系のトラップ装置の上流に設けられ、排ガスに旋回流を付与する旋回流付与手段とを備え、トラップ装置に酸化機能を有する金属が担持されているものである。
【０００７】
従って、内燃機関から排出される排ガスは旋回流付与手段により旋回流を生起し、下流側のトラップ手段の各通路の入口に対して角度をもって流入し、通路を形成する仕切壁に衝突する。ＰＭ（パティキュレート・マター）の主成分の一つであるスートは、排ガスが仕切壁に衝突すると仕切壁に付着し、これにより排ガス中のスートがトラップ装置に順次捕集される。
【０００８】
内燃機関の高負荷域においては、排気温度の上昇に伴ってトラップ装置が十分に昇温されるため、トラップ装置の酸化機能により排ガス中のＮＯから生成されたＮＯ2 を酸化剤として利用して、若しくはトラップ装置の触媒機能により酸素による酸化が促進され、トラップ装置上に堆積したスートが連続的に燃焼除去される（連続再生）。高負荷域ではＰＭ中のスートの割合が増加するが、このようにスートが速やかに焼却除去されるため、結果としてＰＭ排出量が確実に低減される。
【０００９】
一方、内燃機関の低負荷域においては、トラップ装置の酸化機能によりＰＭ中のＳＯＦ（可溶性有機成分）は浄化されるものの、排気温度が低いことからトラップ装置に堆積したスートの焼却除去は期待できない。しかしながら、低負荷域ではスートの発生量は少なく、ＰＭ中で大きな割合を占めるＳＯＦが浄化されることにより、全体のＰＭ排出量が確実に低減される。
【００１０】
そして、例えば低負荷域での運転が継続されて上記連続再生作用が得られない場合には、トラップ装置でのスートの堆積量は次第に増加するが、堆積したスートが排ガスの流通を妨げるようになると、排ガスの圧力を受けてスートが仕切壁から適宜剥離されて下流側に排出される。よって、堆積したスートでトラップ装置が目詰まりする虞は皆無であり、目詰まりを防止するための強制再生処理を実施する必要がなくなる。
【００１１】
請求項２の発明は、内燃機関の排気系に設けられ、複数の仕切壁によって形成された排ガスの流れ方向に沿う複数の通路を有するフロースルー型のトラップ装置と、排気系のトラップ装置の上流に設けられ、排ガスに旋回流を付与する旋回流付与手段と、排気系の旋回流付与手段の上流に設けられた酸化触媒とを備えたものである。
本発明では、請求項１の発明のトラップ装置による酸化機能に代えて、上流側の酸化触媒が同様の機能を奏し、低負荷域ではＳＯＦを浄化し、高負荷域ではトラップ装置の連続再生に必要なＮＯ2 を排ガス中のＮＯから生成する。よって、請求項１において記載のように、低負荷域では主にＳＯＦの浄化が、高負荷域では主にスートに対する連続再生作用が奏され、全体のＰＭ排出量を確実に低減可能となり、且つ、連続再生作用が得られないときにはトラップ装置に堆積したスートを適宜下流側に排出するため、トラップ装置の目詰まりを防止するための強制再生処理が不要となる。
【００１２】
請求項３の発明は、内燃機関の排気系に設けられ、複数の仕切壁によって形成された排ガスの流れ方向に沿う複数の通路を有するフロースルー型のトラップ装置と、排気系のトラップ装置の上流に設けられ、排ガスに旋回流を付与する旋回流付与手段と、排気系の旋回流付与手段の上流に設けられた酸化触媒とを備え、トラップ装置に酸化機能を有する金属が担持されているものである。
【００１３】
本発明では、請求項１の発明のトラップ装置による酸化機能に加えて、上流側の酸化触媒が同様の機能を奏し、低負荷域ではＳＯＦを浄化し、高負荷域では連続再生に必要なＮＯ2 を排ガス中のＮＯから生成する。よって、請求項１において記載のように、低負荷域では主にＳＯＦの浄化が、高負荷域では主にスートに対する連続再生作用が奏され、全体のＰＭ排出量を確実に低減可能となり、且つ、連続再生作用が得られないときにはトラップ装置に堆積したスートを適宜下流側に排出するため、トラップ装置の目詰まりを防止するための強制再生処理が不要となる。
【００１４】
請求項４の発明は、トラップ装置の通路断面積が旋回流付与手段の通路断面積より小さく形成されたものである。
従って、旋回流付与手段からの旋回流を伴う排ガスがトラップ装置に接近すると、通路断面積の縮小に伴って排ガスの流速が速められる。その結果、トラップ装置の仕切壁に対して排ガスがより強く衝突して、ＰＭは仕切壁に一層強固に付着される。
【００１５】
請求項５の発明は、トラップ装置がＮＯx選択還元機能を備え、旋回流付与手段の上流側の排気系に還元剤を供給するようにしたものである。
例えば、還元剤としては燃料に含まれるＨＣ等が利用され、排気系に供給された燃料が還元剤として機能して、トラップ装置上で排ガス中のＮＯxを還元し、これによりＮＯx低減が達成される。又、このときの還元剤は、旋回流付与手段が生起した旋回流により均一に分散した状態でトラップ装置上に供給されるため、還元剤を有効に利用して最大限のＮＯx低減効果が得られる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
［第１実施形態］
以下、本発明をコモンレール式ディーゼルエンジン用の排気浄化装置に具体化した第1実施形態を説明する。
図１は第１実施形態のディーゼルエンジンの排気浄化装置を示す全体構成図、図２は旋回流付与部の詳細を示す図１のII−II線断面図である。排気浄化装置１はエンジン２の排気通路３に設けられ、図示はしないが、排気浄化装置１の下流側には消音器が設けられている。排気浄化装置１は上流側の旋回流付与部４（旋回流付与手段）と、下流側のディーゼル・パティキュレート・フィルタ５（トラップ装置であり、以下、ＤＰＦと略す）とから構成され、両部材４，５は円筒状のケーシング６内に収納されている。
【００１７】
ケーシング６内は旋回流付与部４の隔壁７により上流側と下流側とに区画され、以下、隔壁７の上流側の空間を上流空間８ａ、下流側の空間を下流空間８ｂと称する。ケーシング６の軸線Ｌを中心とした隔壁７上の１８０°対向する２位置には、それぞれ導風パイプ９が貫通配置され、これらの導風パイプ９は隔壁７に対して直角に溶接固定されている。
【００１８】
両導風パイプ９は下流空間８ｂ内に向けて延設されると共に、軸線Ｌを中心として同一周方向（図２に示すように反時計回り）に開口端を指向させるように湾曲形成されている。尚、導風パイプ９の数や形状は任意に変更可能であり、例えば軸線Ｌを中心として１２０°間隔で３本配置してもよい。
一方、ＤＰＦ５は、例えばモノリス型のコージェライト担体からなり、仕切壁１０によって排ガスの長手方向に沿う多数の通路１１を有している。各通路１１はハニカム状若しくは格子状の断面をなし、ＤＰＦ５は、各通路１１に沿って排ガスを流通させる所謂フロースルー式のハニカムとして機能する。ＤＰＦ５の表面には、プラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）等の貴金属を主成分とした触媒が担持されている。尚、後述のようにＤＰＦ５はＰＭを捕集するが、ＰＭの堆積が通路１１の入口付近に集中することから、一般的なウォールフロー式ＤＰＦや酸化触媒の担体ほどの長さは必要なく、その全長はかなり短く設定されている。
【００１９】
そして、以上のように構成された排気浄化装置１では、運転中のエンジン２から排出される排ガスが排気通路３を経てケーシング６内の上流空間８ａ内に導入される。導入された排ガスは導風パイプ９内を経て下流空間８ｂに案内されるが、導風パイプ９の開口端が軸線Ｌに対して偏心位置にあり、且つ、同一周方向に指向しているため、導風パイプ９から放出された排ガスは、図に矢印で示すように、下流空間８ｂ内で軸線Ｌを中心とした反時計回りの旋回流を生起する。
【００２０】
従って、下流空間８ｂ内の排ガスはＤＰＦ５の各通路１１の入口に対して角度をもって流入して、通路１１を形成する仕切壁１０に衝突し、その後は各通路１１内を流通した後にケーシング６から排出され、消音器を経て大気中に排出される。
次に、上記のように構成されたディーゼルエンジン２の排気浄化装置１によるＰＭの浄化作用を説明する。
【００２１】
周知のように排ガス中に含まれるＰＭは、未燃燃料やオイルからなるＳＯＦ、カーボン等からなるスート、触媒の酸化作用により発生するサルフェートの３種を主成分としており、これらの成分の総和によりＰＭ排出量が評価される。ここで、ＳＯＦとスートの発生状況はエンジン２の負荷領域に応じて変化し、低負荷域ではＳＯＦの割合が増加し、高負荷域ではスートの割合が増加することが確認されている。
【００２２】
一般にＰＭは、図３中に拡大表示したように、スートの粒子の表面にＳＯＦが付着した状態で存在する。ここで、上記のように旋回流により排ガスがＤＰＦ５の仕切壁１０の入口に角度をもって衝突すると、排ガス中のＰＭは仕切壁１０に付着し、これにより排ガス中のＰＭが順次ＤＰＦ５に捕集される。
エンジン２の低負荷域においては排気温度が低いことから、スートを焼却除去する後述の連続再生作用は得られないため、スートに対する浄化作用はほとんど発揮されない。一方、ＳＯＦはスートの酸化よりも低い温度からＤＰＦ５の酸化機能により浄化される。従って、ＰＭ中で大きな割合を占めるＳＯＦが浄化されることにより、全体のＰＭ排出量が確実に低減される。
【００２３】
又、高負荷域においては、上記低負荷域と同じくＤＰＦ５の酸化機能によるＳＯＦの浄化作用が奏されると共に、エンジン２の排気温度の上昇に伴ってＤＰＦ５が十分に昇温されているため、一般的なウォールフロー式ＤＰＦと同様の連続再生作用が奏される。即ち、ＤＰＦ５の酸化機能により排ガス中のＮＯからＮＯ2 が生成され、このＮＯ2 を酸化剤として利用してＤＰＦ５上に堆積したスートが燃焼する。又、ＤＰＦ５上の触媒による酸化促進作用により酸素によるスート酸化が促進される。上記低負荷域でＤＰＦ５上には既にスートが捕集され、且つ、高負荷域への移行に伴ってＰＭ中のスートの割合が増加するが、これらのスートは速やかに焼却除去され、且つ、低負荷域と同様に酸化機能によりＳＯＦも浄化されるため、結果としてＰＭ排出量が確実に低減される。
【００２４】
そして、例えば低負荷域での運転が継続されて上記連続再生作用が得られない場合には、ウォールフロー式ＤＰＦと同じくＤＰＦ５でのスートの堆積量は次第に増加するが、本実施形態のフロースルー式ＤＰＦ５では、スートの堆積量が増加して排ガスの流通を妨げるようになると、排ガスの圧力を受けてスートが仕切壁１０から適宜剥離されて下流側に排出されるため、堆積したスートによりＤＰＦ５が目詰まりする虞は皆無である。よって、ＤＰＦ５の目詰まりを防止するための強制再生処理を実施する必要がなくなり、当該処理の実施による弊害、例えば燃料消費量の増加や構成の複雑化等を未然に回避することができる。
【００２５】
尚、スートの排出はＰＭ排出量の増加に繋がるが、ＤＰＦ５でのスートの堆積量が減少して排ガスが円滑に流通するようになれば、自ずとスートの剥離は中断されるため、剥離により排出されるスートの量は必要最小限となって、ＰＭ全体の発生量から比較すればごく僅かに抑制される。よって、トータルとしてのＰＭ排出量を十分に抑制可能である。
【００２６】
［第２実施形態］
次に、本発明を別のコモンレール式ディーゼルエンジン用の排気浄化装置に具体化した第２実施形態を説明する。尚、本実施形態は上記第1実施形態に比較して、排気浄化装置１の旋回流付与部４の上流側に酸化触媒２１を付加した点が相違しており、その他の構成は同一である。よって、同一構成の部分の説明は省略し、相違点を重点的に説明する。
【００２７】
図４は第２実施形態のディーゼルエンジンの排気浄化装置を示す全体構成図であり、この図に示すように、排気浄化装置１のケーシング６内の上流空間８ａ、つまり旋回流付与部４より上流側には酸化触媒２１が設置されている。当該酸化触媒２１の構成は一般的な酸化触媒と同様であり、例えばコージェライト担体の表面にＰｔ、Ｐｄ等の貴金属を主成分とした触媒が担持されている。
【００２８】
このように構成された排気浄化装置１では、第１実施形態と同じく低負荷域では主にＳＯＦの浄化が、高負荷域では主にスートに対する連続再生作用が奏されると共に、連続再生作用が得られないときにはＤＰＦ５に堆積したスートを適宜下流側に排出するため、ＤＰＦ５の目詰まりを防止するための強制再生処理を不要とすることができる。加えて、上流側の酸化触媒２１がＤＰＦ５の酸化作用を補助する役割を果たし、低負荷域ではＳＯＦを浄化し、高負荷域では連続再生に必要なＮＯ2 を排ガス中のＮＯから生成することから、第１実施形態のものに比較して、ＰＭ排出量をより一層低減することができる。
【００２９】
又、上流側の酸化触媒２１で生成されたＮＯ2 は、旋回流付与部４が生起した旋回流により均一に分散した状態でＤＰＦ５上に供給されるため、ＤＰＦ５上でのスートの燃え残りを防止して、より確実にＤＰＦ５を再生できるという利点もある。
尚、このように上流側に酸化触媒２１を備えると、ＤＰＦ５の酸化機能は必須ではなくなる。よって、ＤＰＦ５に触媒を担持させずに、ＰＭの捕集機能を奏するコージェライト担体のままとしてもよい。この場合であっても、上流側の酸化触媒２１により低負荷域のＳＯＦの浄化作用、及び高負荷域のＮＯ2 の生成作用が奏されるため、ＰＭ排出量の低減は十分に達成することができる。
【００３０】
［第３実施形態］
次に、本発明を別のコモンレール式ディーゼルエンジン用の排気浄化装置に具体化した第３実施形態を説明する。尚、本実施形態は上記第1実施形態に比較して、排ガスの流速を高めるべくケーシング６の形状を変更した点、及びＤＰＦ５にＮＯxの還元機能を付加した点が相違しており、その他の構成は同一である。よって、同一構成の部分の説明は省略し、相違点を重点的に説明する。
【００３１】
図５は第３実施形態のディーゼルエンジンの排気浄化装置の旋回流付与部を示す断面図である。本実施形態の排気浄化装置では、旋回流付与部４とＤＰＦ５との間でケーシング６が縮径しており、結果として旋回流付与部４側の通路断面積に対して、ＤＰＦ５側の通路断面積が小さく設定されている。
又、ＤＰＦ５には上記酸化触媒に加えて、例えばＣｕ/ＺＳＭ５等の選択還元型ＮＯx触媒が担持されており、一方、エンジン２の排気通路３には未燃燃料を任意に供給可能となっている。具体的には、例えば排気通路３に設けた噴射弁より軽油を噴射したり、或いはエンジン２の膨張行程或いは排気行程で追加燃料を噴射して、未燃燃料のまま排気通路３に供給するポスト噴射を実施したりする手法が考えられる。
【００３２】
このように構成された排気浄化装置１では、第１実施形態で説明した作用に加えて、以下の作用を奏する。まず、旋回流付与部４からの旋回流を伴う排ガスがＤＰＦ５に接近すると、ケース外径の縮小に伴って角運動量が保存されることから、排ガスの旋回流速が速められる現象が生じる。従って、ＤＰＦ５の仕切壁１０に対して排ガスがより強く衝突することになり、ＰＭを仕切壁１０に一層強固に付着させて、ＤＰＦ５のＰＭ捕集機能を強化することができる。
【００３３】
又、エンジン２のＮＯx排出量が多い運転状態では、上記噴射弁の作動、或いはポスト噴射の実施により排気通路３に未燃燃料を供給する。供給された未燃燃料中のＨＣはＮＯx触媒上で還元剤として機能して排ガス中のＮＯxを還元するため、特にディーゼルエンジンで問題となるＮＯxを効率的に低減できるという利点も得られる。
【００３４】
しかも、供給された未燃燃料は、旋回流付与部４が生起した旋回流により均一に分散した状態でＤＰＦ５上に供給されるため、ＨＣを有効に利用して最大限のＮＯx低減効果を得ることができる。ここで、装置の構成としては、第１及び第２実施形態と同様に、旋回流付与部４の上流側に酸化触媒２１を設けてもよい。尚、その場合には、還元剤を供給する位置は酸化触媒２１と旋回流付与部４の中間とする。
【００３５】
一方、上記旋回流付与部４の構成は種々に変更可能であり、以下、その変形例を第４〜６実施形態として説明する。尚、旋回流付与部４以外の部分は、上記第１実施形態と同様であるため、相違点を重点的に説明する。
［第４実施形態］
図６は第４実施形態のディーゼルエンジンの排気浄化装置の旋回流付与部を示す断面図、図７は旋回流付与部の詳細を示す図６のVII−VII線断面図である。これらの図に示すように、旋回流付与部４の隔壁３１はプレス成形され、ケーシング６の軸線Ｌを中心とした１８０°対向する２位置に導風孔３２が一体的に開口形成されている。これらの導風孔３２は下流空間８ｂ内において軸線Ｌを中心として同一周方向（反時計回り）に開口し、第１実施形態の導風パイプ９と同様の作用を奏する。
【００３６】
即ち、上流空間８ａ内の排ガスが導風孔３２から下流空間８ｂ内に放出される際に旋回流を生起するため、排ガスをＤＰＦ５の仕切壁１０に衝突させて、排ガス中のＰＭをＤＰＦ５に捕集でき、その結果、第１実施形態と同様の浄化作用を得ることができる。
［第５実施形態］
図８は第５実施形態のディーゼルエンジンの排気浄化装置の旋回流付与部を示す断面図、図９は旋回流付与部の詳細を示す図８のIX−IX線断面図である。これらの図に示すように、ケーシング６内の軸線Ｌ上にはセンタパイプ４１が配設され、このセンタパイプ４１を中心として軸線Ｌ方向に螺旋状をなすように導風プレート４２が配設されている。
【００３７】
従って、上流空間８ａ内の排ガスは導風プレート４２により螺旋状に案内されながら下流空間８ｂ内に放出されて旋回流を生起し、これにより排ガス中のＰＭがＤＰＦ５に捕集される。
［第６実施形態］
図１０は第６実施形態のディーゼルエンジンの排気浄化装置の旋回流付与部を示す断面図、図１１は旋回流付与部の詳細を示す図１０のXI−XI線断面図である。これらの図に示すように、ケーシング６内の軸線Ｌ上にはセンタパイプ５１が配設され、このセンタパイプ５１を中心として４枚の導風プレート５２が配設されている。各導風プレート５２は同一方向に捻れており、これにより全体としてファン形状をなしている。
【００３８】
この導風プレート５２は第４実施形態の導風プレート４２と同様の作用を奏し、排ガスを螺旋状に案内しながら下流空間８ｂ内に旋回流を生起し、これにより排ガス中のＰＭをＤＰＦ５に捕集させる。
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば、上記各実施形態では、コモンレール式ディーゼルエンジン用の排気浄化装置に具体化したが、エンジン２の形式等はこれに限ることはなく、例えば、通常のディーゼルエンジン用の排気浄化装置として具体化してもよい。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１乃至３の発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、強制再生処理の実施による弊害を回避した上で、目詰まりを生じることなく確実にＰＭの排出量を低減することができる。
請求項４の発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項１乃至３の発明に加えて、トラップ装置の仕切壁に対してＰＭを一層強固に付着させて、トラップ装置のＰＭ捕集機能を強化することができる。
【００４０】
請求項５の発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項１乃至４の発明に加えて、排ガス中のＮＯxをトラップ装置上で還元して、ＮＯx低減効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態のディーゼルエンジンの排気浄化装置を示す全体構成図である。
【図２】旋回流付与部の詳細を示す図１のII−II線断面図である。
【図３】ＤＰＦ上でのＰＭの堆積状態を示す部分拡大断面図である。
【図４】第２実施形態のディーゼルエンジンの排気浄化装置を示す全体構成図である。
【図５】第３実施形態のディーゼルエンジンの排気浄化装置の旋回流付与部を示す断面図である。
【図６】第４実施形態のディーゼルエンジンの排気浄化装置の旋回流付与部を示す断面図である。
【図７】旋回流付与部の詳細を示す図６のVII−VII線断面図である。
【図８】第５実施形態のディーゼルエンジンの排気浄化装置の旋回流付与部を示す断面図である。
【図９】旋回流付与部の詳細を示す図８のIX−IX線断面図である。
【図１０】第６実施形態のディーゼルエンジンの排気浄化装置の旋回流付与部を示す断面図である。
【図１１】旋回流付与部の詳細を示す図１０のXI−XI線断面図である。
【符号の説明】
２ エンジン（内燃機関）
３ 排気通路
４ 旋回流付与部（旋回流付与手段）
５ ＤＰＦ（トラップ装置）
１０ 仕切壁
１１ 通路
２１ 酸化触媒
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関（以下、エンジンという）の排気系に設けられて、排ガス中のパティキュレート・マター（以下、ＰＭと略す）を捕集するパティキュレートフィルタを備えた排気浄化装置に関するものである。
【０００２】
【関連する背景技術】
ディーゼルエンジン等から排出される排ガスには、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯx等のほかにＰＭが多く含まれており、このＰＭを処理するための後処理装置としてパティキュレートフィルタが提案されている。当該フィルタは、排ガスの流れ方向に沿う多数の通路の上流側と下流側の開口部を交互に閉鎖して、通路を形成する多孔質の仕切壁を経て排ガスを流通させる所謂ウォールフロー式として構成されており、仕切壁を流通する際に排ガス中のＰＭを捕集している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記フィルタに堆積したＰＭは、排気温度が高い運転状態のときに自然着火により焼却除去されるが、この自然着火による連続再生作用が得られない運転状態が継続されて、フィルタ上のＰＭの堆積量が次第に増加することもある。このような場合、上記したウォールフロー式のフィルタでは仕切壁の目詰まりに直結し、排気抵抗の急増により正常なエンジンの運転を維持できなくなってしまう。
【０００４】
そこで、ＰＭの堆積量が許容値を越えたときに、堆積しているＰＭを強制的に焼却除去する強制再生処理を実施する必要がある。強制再生処理としては、例えば膨張行程或いは排気行程で追加燃料を噴射するポスト噴射、或いは排気系に設けた未燃燃料供給手段からの未燃燃料の供給等が挙げられ、供給した燃料を燃焼させてフィルタの昇温を図っているが、この強制再生処理の実施のために燃料消費量が増加したり、排ガス浄化装置の構成が複雑化したりするという弊害があった。
【０００５】
本発明の目的は、強制再生処理の実施による弊害を回避した上で、目詰まりを生じることなく確実にＰＭの排出量を低減することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、内燃機関の排気系に設けられ、複数の仕切壁によって形成された排ガスの流れ方向に沿う複数の通路を有するフロースルー型のトラップ装置と、排気系のトラップ装置の上流に設けられ、排ガスに旋回流を付与する旋回流付与手段とを備え、トラップ装置に酸化機能を有する金属が担持されているものである。
【０００７】
従って、内燃機関から排出される排ガスは旋回流付与手段により旋回流を生起し、下流側のトラップ手段の各通路の入口に対して角度をもって流入し、通路を形成する仕切壁に衝突する。ＰＭ（パティキュレート・マター）の主成分の一つであるスートは、排ガスが仕切壁に衝突すると仕切壁に付着し、これにより排ガス中のスートがトラップ装置に順次捕集される。
【０００８】
内燃機関の高負荷域においては、排気温度の上昇に伴ってトラップ装置が十分に昇温されるため、トラップ装置の酸化機能により排ガス中のＮＯから生成されたＮＯ2 を酸化剤として利用して、若しくはトラップ装置の触媒機能により酸素による酸化が促進され、トラップ装置上に堆積したスートが連続的に燃焼除去される（連続再生）。高負荷域ではＰＭ中のスートの割合が増加するが、このようにスートが速やかに焼却除去されるため、結果としてＰＭ排出量が確実に低減される。
【０００９】
一方、内燃機関の低負荷域においては、トラップ装置の酸化機能によりＰＭ中のＳＯＦ（可溶性有機成分）は浄化されるものの、排気温度が低いことからトラップ装置に堆積したスートの焼却除去は期待できない。しかしながら、低負荷域ではスートの発生量は少なく、ＰＭ中で大きな割合を占めるＳＯＦが浄化されることにより、全体のＰＭ排出量が確実に低減される。
【００１０】
そして、例えば低負荷域での運転が継続されて上記連続再生作用が得られない場合には、トラップ装置でのスートの堆積量は次第に増加するが、堆積したスートが排ガスの流通を妨げるようになると、排ガスの圧力を受けてスートが仕切壁から適宜剥離されて下流側に排出される。よって、堆積したスートでトラップ装置が目詰まりする虞は皆無であり、目詰まりを防止するための強制再生処理を実施する必要がなくなる。
【００１１】
請求項２の発明は、内燃機関の排気系に設けられ、複数の仕切壁によって形成された排ガスの流れ方向に沿う複数の通路を有するフロースルー型のトラップ装置と、排気系のトラップ装置の上流に設けられ、排ガスに旋回流を付与する旋回流付与手段と、排気系の旋回流付与手段の上流に設けられた酸化触媒とを備えたものである。
本発明では、請求項１の発明のトラップ装置による酸化機能に代えて、上流側の酸化触媒が同様の機能を奏し、低負荷域ではＳＯＦを浄化し、高負荷域ではトラップ装置の連続再生に必要なＮＯ2 を排ガス中のＮＯから生成する。よって、請求項１において記載のように、低負荷域では主にＳＯＦの浄化が、高負荷域では主にスートに対する連続再生作用が奏され、全体のＰＭ排出量を確実に低減可能となり、且つ、連続再生作用が得られないときにはトラップ装置に堆積したスートを適宜下流側に排出するため、トラップ装置の目詰まりを防止するための強制再生処理が不要となる。
【００１２】
請求項３の発明は、内燃機関の排気系に設けられ、複数の仕切壁によって形成された排ガスの流れ方向に沿う複数の通路を有するフロースルー型のトラップ装置と、排気系のトラップ装置の上流に設けられ、排ガスに旋回流を付与する旋回流付与手段と、排気系の旋回流付与手段の上流に設けられた酸化触媒とを備え、トラップ装置に酸化機能を有する金属が担持されているものである。
【００１３】
本発明では、請求項１の発明のトラップ装置による酸化機能に加えて、上流側の酸化触媒が同様の機能を奏し、低負荷域ではＳＯＦを浄化し、高負荷域では連続再生に必要なＮＯ2 を排ガス中のＮＯから生成する。よって、請求項１において記載のように、低負荷域では主にＳＯＦの浄化が、高負荷域では主にスートに対する連続再生作用が奏され、全体のＰＭ排出量を確実に低減可能となり、且つ、連続再生作用が得られないときにはトラップ装置に堆積したスートを適宜下流側に排出するため、トラップ装置の目詰まりを防止するための強制再生処理が不要となる。
【００１４】
請求項４の発明は、トラップ装置の通路断面積が旋回流付与手段の通路断面積より小さく形成されたものである。
従って、旋回流付与手段からの旋回流を伴う排ガスがトラップ装置に接近すると、通路断面積の縮小に伴って排ガスの流速が速められる。その結果、トラップ装置の仕切壁に対して排ガスがより強く衝突して、ＰＭは仕切壁に一層強固に付着される。
【００１５】
請求項５の発明は、トラップ装置がＮＯx選択還元機能を備え、旋回流付与手段の上流側の排気系に還元剤を供給するようにしたものである。
例えば、還元剤としては燃料に含まれるＨＣ等が利用され、排気系に供給された燃料が還元剤として機能して、トラップ装置上で排ガス中のＮＯxを還元し、これによりＮＯx低減が達成される。又、このときの還元剤は、旋回流付与手段が生起した旋回流により均一に分散した状態でトラップ装置上に供給されるため、還元剤を有効に利用して最大限のＮＯx低減効果が得られる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
［第１実施形態］
以下、本発明をコモンレール式ディーゼルエンジン用の排気浄化装置に具体化した第1実施形態を説明する。
図１は第１実施形態のディーゼルエンジンの排気浄化装置を示す全体構成図、図２は旋回流付与部の詳細を示す図１のII−II線断面図である。排気浄化装置１はエンジン２の排気通路３に設けられ、図示はしないが、排気浄化装置１の下流側には消音器が設けられている。排気浄化装置１は上流側の旋回流付与部４（旋回流付与手段）と、下流側のディーゼル・パティキュレート・フィルタ５（トラップ装置であり、以下、ＤＰＦと略す）とから構成され、両部材４，５は円筒状のケーシング６内に収納されている。
【００１７】
ケーシング６内は旋回流付与部４の隔壁７により上流側と下流側とに区画され、以下、隔壁７の上流側の空間を上流空間８ａ、下流側の空間を下流空間８ｂと称する。ケーシング６の軸線Ｌを中心とした隔壁７上の１８０°対向する２位置には、それぞれ導風パイプ９が貫通配置され、これらの導風パイプ９は隔壁７に対して直角に溶接固定されている。
【００１８】
両導風パイプ９は下流空間８ｂ内に向けて延設されると共に、軸線Ｌを中心として同一周方向（図２に示すように反時計回り）に開口端を指向させるように湾曲形成されている。尚、導風パイプ９の数や形状は任意に変更可能であり、例えば軸線Ｌを中心として１２０°間隔で３本配置してもよい。
一方、ＤＰＦ５は、例えばモノリス型のコージェライト担体からなり、仕切壁１０によって排ガスの長手方向に沿う多数の通路１１を有している。各通路１１はハニカム状若しくは格子状の断面をなし、ＤＰＦ５は、各通路１１に沿って排ガスを流通させる所謂フロースルー式のハニカムとして機能する。ＤＰＦ５の表面には、プラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）等の貴金属を主成分とした触媒が担持されている。尚、後述のようにＤＰＦ５はＰＭを捕集するが、ＰＭの堆積が通路１１の入口付近に集中することから、一般的なウォールフロー式ＤＰＦや酸化触媒の担体ほどの長さは必要なく、その全長はかなり短く設定されている。
【００１９】
そして、以上のように構成された排気浄化装置１では、運転中のエンジン２から排出される排ガスが排気通路３を経てケーシング６内の上流空間８ａ内に導入される。導入された排ガスは導風パイプ９内を経て下流空間８ｂに案内されるが、導風パイプ９の開口端が軸線Ｌに対して偏心位置にあり、且つ、同一周方向に指向しているため、導風パイプ９から放出された排ガスは、図に矢印で示すように、下流空間８ｂ内で軸線Ｌを中心とした反時計回りの旋回流を生起する。
【００２０】
従って、下流空間８ｂ内の排ガスはＤＰＦ５の各通路１１の入口に対して角度をもって流入して、通路１１を形成する仕切壁１０に衝突し、その後は各通路１１内を流通した後にケーシング６から排出され、消音器を経て大気中に排出される。
次に、上記のように構成されたディーゼルエンジン２の排気浄化装置１によるＰＭの浄化作用を説明する。
【００２１】
周知のように排ガス中に含まれるＰＭは、未燃燃料やオイルからなるＳＯＦ、カーボン等からなるスート、触媒の酸化作用により発生するサルフェートの３種を主成分としており、これらの成分の総和によりＰＭ排出量が評価される。ここで、ＳＯＦとスートの発生状況はエンジン２の負荷領域に応じて変化し、低負荷域ではＳＯＦの割合が増加し、高負荷域ではスートの割合が増加することが確認されている。
【００２２】
一般にＰＭは、図３中に拡大表示したように、スートの粒子の表面にＳＯＦが付着した状態で存在する。ここで、上記のように旋回流により排ガスがＤＰＦ５の仕切壁１０の入口に角度をもって衝突すると、排ガス中のＰＭは仕切壁１０に付着し、これにより排ガス中のＰＭが順次ＤＰＦ５に捕集される。
エンジン２の低負荷域においては排気温度が低いことから、スートを焼却除去する後述の連続再生作用は得られないため、スートに対する浄化作用はほとんど発揮されない。一方、ＳＯＦはスートの酸化よりも低い温度からＤＰＦ５の酸化機能により浄化される。従って、ＰＭ中で大きな割合を占めるＳＯＦが浄化されることにより、全体のＰＭ排出量が確実に低減される。
【００２３】
又、高負荷域においては、上記低負荷域と同じくＤＰＦ５の酸化機能によるＳＯＦの浄化作用が奏されると共に、エンジン２の排気温度の上昇に伴ってＤＰＦ５が十分に昇温されているため、一般的なウォールフロー式ＤＰＦと同様の連続再生作用が奏される。即ち、ＤＰＦ５の酸化機能により排ガス中のＮＯからＮＯ2 が生成され、このＮＯ2 を酸化剤として利用してＤＰＦ５上に堆積したスートが燃焼する。又、ＤＰＦ５上の触媒による酸化促進作用により酸素によるスート酸化が促進される。上記低負荷域でＤＰＦ５上には既にスートが捕集され、且つ、高負荷域への移行に伴ってＰＭ中のスートの割合が増加するが、これらのスートは速やかに焼却除去され、且つ、低負荷域と同様に酸化機能によりＳＯＦも浄化されるため、結果としてＰＭ排出量が確実に低減される。
【００２４】
そして、例えば低負荷域での運転が継続されて上記連続再生作用が得られない場合には、ウォールフロー式ＤＰＦと同じくＤＰＦ５でのスートの堆積量は次第に増加するが、本実施形態のフロースルー式ＤＰＦ５では、スートの堆積量が増加して排ガスの流通を妨げるようになると、排ガスの圧力を受けてスートが仕切壁１０から適宜剥離されて下流側に排出されるため、堆積したスートによりＤＰＦ５が目詰まりする虞は皆無である。よって、ＤＰＦ５の目詰まりを防止するための強制再生処理を実施する必要がなくなり、当該処理の実施による弊害、例えば燃料消費量の増加や構成の複雑化等を未然に回避することができる。
【００２５】
尚、スートの排出はＰＭ排出量の増加に繋がるが、ＤＰＦ５でのスートの堆積量が減少して排ガスが円滑に流通するようになれば、自ずとスートの剥離は中断されるため、剥離により排出されるスートの量は必要最小限となって、ＰＭ全体の発生量から比較すればごく僅かに抑制される。よって、トータルとしてのＰＭ排出量を十分に抑制可能である。
【００２６】
［第２実施形態］
次に、本発明を別のコモンレール式ディーゼルエンジン用の排気浄化装置に具体化した第２実施形態を説明する。尚、本実施形態は上記第1実施形態に比較して、排気浄化装置１の旋回流付与部４の上流側に酸化触媒２１を付加した点が相違しており、その他の構成は同一である。よって、同一構成の部分の説明は省略し、相違点を重点的に説明する。
【００２７】
図４は第２実施形態のディーゼルエンジンの排気浄化装置を示す全体構成図であり、この図に示すように、排気浄化装置１のケーシング６内の上流空間８ａ、つまり旋回流付与部４より上流側には酸化触媒２１が設置されている。当該酸化触媒２１の構成は一般的な酸化触媒と同様であり、例えばコージェライト担体の表面にＰｔ、Ｐｄ等の貴金属を主成分とした触媒が担持されている。
【００２８】
このように構成された排気浄化装置１では、第１実施形態と同じく低負荷域では主にＳＯＦの浄化が、高負荷域では主にスートに対する連続再生作用が奏されると共に、連続再生作用が得られないときにはＤＰＦ５に堆積したスートを適宜下流側に排出するため、ＤＰＦ５の目詰まりを防止するための強制再生処理を不要とすることができる。加えて、上流側の酸化触媒２１がＤＰＦ５の酸化作用を補助する役割を果たし、低負荷域ではＳＯＦを浄化し、高負荷域では連続再生に必要なＮＯ2 を排ガス中のＮＯから生成することから、第１実施形態のものに比較して、ＰＭ排出量をより一層低減することができる。
【００２９】
又、上流側の酸化触媒２１で生成されたＮＯ2 は、旋回流付与部４が生起した旋回流により均一に分散した状態でＤＰＦ５上に供給されるため、ＤＰＦ５上でのスートの燃え残りを防止して、より確実にＤＰＦ５を再生できるという利点もある。
尚、このように上流側に酸化触媒２１を備えると、ＤＰＦ５の酸化機能は必須ではなくなる。よって、ＤＰＦ５に触媒を担持させずに、ＰＭの捕集機能を奏するコージェライト担体のままとしてもよい。この場合であっても、上流側の酸化触媒２１により低負荷域のＳＯＦの浄化作用、及び高負荷域のＮＯ2 の生成作用が奏されるため、ＰＭ排出量の低減は十分に達成することができる。
【００３０】
［第３実施形態］
次に、本発明を別のコモンレール式ディーゼルエンジン用の排気浄化装置に具体化した第３実施形態を説明する。尚、本実施形態は上記第1実施形態に比較して、排ガスの流速を高めるべくケーシング６の形状を変更した点、及びＤＰＦ５にＮＯxの還元機能を付加した点が相違しており、その他の構成は同一である。よって、同一構成の部分の説明は省略し、相違点を重点的に説明する。
【００３１】
図５は第３実施形態のディーゼルエンジンの排気浄化装置の旋回流付与部を示す断面図である。本実施形態の排気浄化装置では、旋回流付与部４とＤＰＦ５との間でケーシング６が縮径しており、結果として旋回流付与部４側の通路断面積に対して、ＤＰＦ５側の通路断面積が小さく設定されている。
又、ＤＰＦ５には上記酸化触媒に加えて、例えばＣｕ/ＺＳＭ５等の選択還元型ＮＯx触媒が担持されており、一方、エンジン２の排気通路３には未燃燃料を任意に供給可能となっている。具体的には、例えば排気通路３に設けた噴射弁より軽油を噴射したり、或いはエンジン２の膨張行程或いは排気行程で追加燃料を噴射して、未燃燃料のまま排気通路３に供給するポスト噴射を実施したりする手法が考えられる。
【００３２】
このように構成された排気浄化装置１では、第１実施形態で説明した作用に加えて、以下の作用を奏する。まず、旋回流付与部４からの旋回流を伴う排ガスがＤＰＦ５に接近すると、ケース外径の縮小に伴って角運動量が保存されることから、排ガスの旋回流速が速められる現象が生じる。従って、ＤＰＦ５の仕切壁１０に対して排ガスがより強く衝突することになり、ＰＭを仕切壁１０に一層強固に付着させて、ＤＰＦ５のＰＭ捕集機能を強化することができる。
【００３３】
又、エンジン２のＮＯx排出量が多い運転状態では、上記噴射弁の作動、或いはポスト噴射の実施により排気通路３に未燃燃料を供給する。供給された未燃燃料中のＨＣはＮＯx触媒上で還元剤として機能して排ガス中のＮＯxを還元するため、特にディーゼルエンジンで問題となるＮＯxを効率的に低減できるという利点も得られる。
【００３４】
しかも、供給された未燃燃料は、旋回流付与部４が生起した旋回流により均一に分散した状態でＤＰＦ５上に供給されるため、ＨＣを有効に利用して最大限のＮＯx低減効果を得ることができる。ここで、装置の構成としては、第１及び第２実施形態と同様に、旋回流付与部４の上流側に酸化触媒２１を設けてもよい。尚、その場合には、還元剤を供給する位置は酸化触媒２１と旋回流付与部４の中間とする。
【００３５】
一方、上記旋回流付与部４の構成は種々に変更可能であり、以下、その変形例を第４〜６実施形態として説明する。尚、旋回流付与部４以外の部分は、上記第１実施形態と同様であるため、相違点を重点的に説明する。
［第４実施形態］
図６は第４実施形態のディーゼルエンジンの排気浄化装置の旋回流付与部を示す断面図、図７は旋回流付与部の詳細を示す図６のVII−VII線断面図である。これらの図に示すように、旋回流付与部４の隔壁３１はプレス成形され、ケーシング６の軸線Ｌを中心とした１８０°対向する２位置に導風孔３２が一体的に開口形成されている。これらの導風孔３２は下流空間８ｂ内において軸線Ｌを中心として同一周方向（反時計回り）に開口し、第１実施形態の導風パイプ９と同様の作用を奏する。
【００３６】
即ち、上流空間８ａ内の排ガスが導風孔３２から下流空間８ｂ内に放出される際に旋回流を生起するため、排ガスをＤＰＦ５の仕切壁１０に衝突させて、排ガス中のＰＭをＤＰＦ５に捕集でき、その結果、第１実施形態と同様の浄化作用を得ることができる。
［第５実施形態］
図８は第５実施形態のディーゼルエンジンの排気浄化装置の旋回流付与部を示す断面図、図９は旋回流付与部の詳細を示す図８のIX−IX線断面図である。これらの図に示すように、ケーシング６内の軸線Ｌ上にはセンタパイプ４１が配設され、このセンタパイプ４１を中心として軸線Ｌ方向に螺旋状をなすように導風プレート４２が配設されている。
【００３７】
従って、上流空間８ａ内の排ガスは導風プレート４２により螺旋状に案内されながら下流空間８ｂ内に放出されて旋回流を生起し、これにより排ガス中のＰＭがＤＰＦ５に捕集される。
［第６実施形態］
図１０は第６実施形態のディーゼルエンジンの排気浄化装置の旋回流付与部を示す断面図、図１１は旋回流付与部の詳細を示す図１０のXI−XI線断面図である。これらの図に示すように、ケーシング６内の軸線Ｌ上にはセンタパイプ５１が配設され、このセンタパイプ５１を中心として４枚の導風プレート５２が配設されている。各導風プレート５２は同一方向に捻れており、これにより全体としてファン形状をなしている。
【００３８】
この導風プレート５２は第４実施形態の導風プレート４２と同様の作用を奏し、排ガスを螺旋状に案内しながら下流空間８ｂ内に旋回流を生起し、これにより排ガス中のＰＭをＤＰＦ５に捕集させる。
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば、上記各実施形態では、コモンレール式ディーゼルエンジン用の排気浄化装置に具体化したが、エンジン２の形式等はこれに限ることはなく、例えば、通常のディーゼルエンジン用の排気浄化装置として具体化してもよい。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１乃至３の発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、強制再生処理の実施による弊害を回避した上で、目詰まりを生じることなく確実にＰＭの排出量を低減することができる。
請求項４の発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項１乃至３の発明に加えて、トラップ装置の仕切壁に対してＰＭを一層強固に付着させて、トラップ装置のＰＭ捕集機能を強化することができる。
【００４０】
請求項５の発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項１乃至４の発明に加えて、排ガス中のＮＯxをトラップ装置上で還元して、ＮＯx低減効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態のディーゼルエンジンの排気浄化装置を示す全体構成図である。
【図２】旋回流付与部の詳細を示す図１のII−II線断面図である。
【図３】ＤＰＦ上でのＰＭの堆積状態を示す部分拡大断面図である。
【図４】第２実施形態のディーゼルエンジンの排気浄化装置を示す全体構成図である。
【図５】第３実施形態のディーゼルエンジンの排気浄化装置の旋回流付与部を示す断面図である。
【図６】第４実施形態のディーゼルエンジンの排気浄化装置の旋回流付与部を示す断面図である。
【図７】旋回流付与部の詳細を示す図６のVII−VII線断面図である。
【図８】第５実施形態のディーゼルエンジンの排気浄化装置の旋回流付与部を示す断面図である。
【図９】旋回流付与部の詳細を示す図８のIX−IX線断面図である。
【図１０】第６実施形態のディーゼルエンジンの排気浄化装置の旋回流付与部を示す断面図である。
【図１１】旋回流付与部の詳細を示す図１０のXI−XI線断面図である。
【符号の説明】
２ エンジン（内燃機関）
３ 排気通路
４ 旋回流付与部（旋回流付与手段）
５ ＤＰＦ（トラップ装置）
１０ 仕切壁
１１ 通路
２１ 酸化触媒
Claims (5)
- 内燃機関の排気系に設けられ、複数の仕切壁によって形成された排ガスの流れ方向に沿う複数の通路を有するフロースルー型のトラップ装置と、
上記排気系の上記トラップ装置の上流に設けられ、排ガスに旋回流を付与する旋回流付与手段とを備え、
上記トラップ装置は、酸化機能を有する金属が担持されていることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 内燃機関の排気系に設けられ、複数の仕切壁によって形成された排ガスの流れ方向に沿う複数の通路を有するフロースルー型のトラップ装置と、
上記排気系の上記トラップ装置の上流に設けられ、排ガスに旋回流を付与する旋回流付与手段と、
上記排気系の上記旋回流付与手段の上流に設けられた酸化触媒と
を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 内燃機関の排気系に設けられ、複数の仕切壁によって形成された排ガスの流れ方向に沿う複数の通路を有するフロースルー型のトラップ装置と、
上記排気系の上記トラップ装置の上流に設けられ、排ガスに旋回流を付与する旋回流付与手段と、
上記排気系の上記旋回流付与手段の上流に設けられた酸化触媒とを備え、
上記トラップ装置は、酸化機能を有する金属が担持されていることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 上記トラップ装置は、通路断面積が上記旋回流付与手段の通路断面積より小さく形成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 上記トラップ装置は、ＮＯx選択還元機能を備え、上記旋回流付与手段の上流側の排気系に還元剤を供給することを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001395008A JP3959611B2 (ja) | 2001-12-26 | 2001-12-26 | 内燃機関の排気浄化装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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