JP2009115064A

JP2009115064A - 排ガス浄化装置

Info

Publication number: JP2009115064A
Application number: JP2007292343A
Authority: JP
Inventors: Yoshifumi Kato; 祥文加藤
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2007-11-09
Filing date: 2007-11-09
Publication date: 2009-05-28
Also published as: US20090120075A1; EP2058480A1

Abstract

【課題】フィルタが捕獲した粒子状物質を効率よく除去できる排ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】排気管４の途中に改質器７が接続されており、その内部に、中空の円筒形状を有する隔壁７ａが設けられている。隔壁７ａの内部にはフィルタ５が設けられており、その外周面５ａと隔壁７ａの内周面７ｂとが接触している。隔壁７ａの外周面７ｃと改質器７の内周面７ｄとの間には、改質触媒６が設けられており、その内周面６ａと隔壁７ａの外周面７ｃとが接触し、且つ改質触媒６の外周面６ｂと改質器７の内周面７ｄとが接触している。改質器７に設けられたインジェクタ８が改質触媒６に軽油を供給すると、改質触媒６は軽油を改質し、反応熱を発生する。改質触媒６の反応熱は、隔壁７ａを介してフィルタ５に直接伝達され、フィルタ５を加熱する。フィルタ５が加熱されることによって、フィルタ５が捕獲した排ガス中の粒子状物質が燃焼し、除去される。
【選択図】図２

Description

この発明は、排ガス浄化装置に係り、特に、ディーゼルエンジンの排ガス中に含まれる粒子状物質を浄化する構造に関する。

排ガス中に含まれる粒子状物質を、排気管の途中に設けたフィルタによって捕獲する排ガス浄化装置において、粒子状物質が堆積してフィルタの流路抵抗が増大することを防止するため、捕獲した粒子状物質を除去してフィルタを再生させることが必要となる。
例えば特許文献１には、酸化触媒を含んだフィルタを備え、フィルタに炭化水素を供給して酸化、すなわち燃焼させることによって、フィルタが捕獲した粒子状物質を燃焼して除去する排ガス浄化装置が開示されている。これによれば、フィルタの上流側にある排気管に燃料噴射装置が設けられ、軽油を貯えた燃料タンクと燃料噴射装置とが燃料通路を介して接続される。燃料通路の途中には、内部に改質触媒を収容した改質装置が接続されており、改質装置内に導入された軽油が改質触媒によって改質され、フィルタの酸化触媒と反応しやすい炭化水素が生成される。また、改質装置には、排気管から分岐したバイパス通路が接続されており、改質装置内に排ガスを流通させて改質触媒を予熱することによって、改質触媒における軽油の改質を促進している。

特開昭５９−１５５５２３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の排ガス浄化装置は、フィルタが捕獲した粒子状物質を除去するために、２つの触媒における反応、すなわち改質触媒における軽油の改質と、フィルタの酸化触媒における炭化水素の酸化とを必要としており、効率が悪いという問題点を有していた。

この発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、フィルタが捕獲した粒子状物質を効率よく除去できる排ガス浄化装置を提供することを目的とする。

この発明に係る排ガス浄化装置は、エンジンの排気管に設けられ、排ガス中に含まれる粒子状物質を捕獲するフィルタと、エンジンの排気管に設けられ、燃料を改質して反応熱を発生する改質触媒と、改質触媒に、燃料を供給するインジェクタとを備え、粒子状物質を浄化する排ガス浄化装置において、フィルタと改質触媒とに、直接接触する熱伝達部材をさらに備えることを特徴とするものである。
フィルタと改質触媒とに直接接触する熱伝達部材を設けたので、改質触媒の反応熱が、熱伝達部材を介して直接フィルタに伝達され、フィルタが、改質触媒の反応熱以外を必要とすることなく、粒子状物質を燃焼させて除去できる温度まで加熱される。したがって、フィルタが捕獲した粒子状物質を効率よく除去することが可能となる。

また、この発明に係る排ガス浄化装置は、エンジンの排気管に設けられ、排ガス中に含まれる粒子状物質を捕獲するフィルタと、エンジンの排気管に設けられ、燃料を改質して反応熱を発生する改質触媒と、改質触媒に、燃料を供給するインジェクタとを備え、粒子状物質を浄化する排ガス浄化装置において、フィルタと改質触媒とが、直接接触することを特徴とするものである。
フィルタと改質触媒とが直接接触しているため、改質触媒の反応熱が、直接フィルタに伝達され、フィルタが、改質触媒の反応熱以外を必要とすることなく、粒子状物質を燃焼させて除去できる温度まで加熱される。したがって、フィルタが捕獲した粒子状物質を効率よく除去することが可能となる。

改質触媒が、フィルタを周方向に包囲してもよい。改質触媒の反応熱が、周方向からフィルタに伝達されるため、フィルタを効率よく加熱して粒子状物質を除去する効率をさらに向上することができる。
フィルタの、排ガスが流通する方向における上流側には、排ガスが流通するとともに、改質触媒の反応熱が伝達される昇温部材が設けられてもよい。改質触媒の反応熱が伝達されて、昇温部材を流通する排ガスの温度が上昇するため、フィルタを加熱して粒子状物質を除去する効率がさらに向上する。

この発明によれば、排ガス浄化装置において、フィルタが捕獲した粒子状物質を効率よく除去することが実現できる。

以下に、この発明の実施の形態について、添付図に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１に、この実施の形態１に係る排ガス浄化装置の構成を示す。
ディーゼルエンジン１のシリンダヘッド１ａには、ディーゼルエンジン１内に吸気を導入する吸気マニフォルド２と、ディーゼルエンジン１の排ガスを外部に排出する排気マニフォルド３とが接続されている。排気マニフォルド３には排気管４が接続されており、ディーゼルエンジン１から排出された排ガスは、図１の矢印Ａで示される方向に流通する。排気管４の途中には、排ガス中に含まれる粒子状物質（ディーゼルパティキュレート、以下ＰＭと略称する）を捕獲するためのフィルタ５と、ディーゼルエンジン１の燃料である軽油を改質する改質触媒６とを内部に収容した改質器７が接続されている。改質器７には、改質器７の外部から内部に貫通し、改質器７内に軽油を噴射するインジェクタ８が設けられている。インジェクタ８は、燃料通路９を介して図示しない燃料タンクに接続されており、燃料タンク内に貯められた軽油を、改質器７の内部に噴射可能となっている。

図２に示すように、改質器７は中空の略円筒形状を有する金属製の容器であって、その両端側の径が漸次小さくなって、排気管４に接続されている。改質器７の内部には、ステンレス等の金属からなる熱伝達部材としての隔壁７ａが設けられている。この隔壁７ａは中空の円筒形状であり、隔壁７ａの内部には、円筒形状を有するフィルタ５が、その外周面５ａと隔壁７ａの内周面７ｂとが当接するように設けられている。フィルタ５は、例えばコージェライト等の、多孔質のセラミックスをハニカム状に形成したウォールフロー方式のフィルタであって、排ガス中の気体成分を下流側に通過させる際に、排ガス中に含まれるＰＭを捕獲する。

一方、隔壁７ａの外周面７ｃと、改質器７の内周面７ｄとの間には、中空の円筒形状を有する改質触媒６が、その内周面６ａと隔壁７ａの外周面７ｃとが当接し、且つ改質触媒６の外周面６ｂと改質器７の内周面７ｄとが当接するように設けられている。また、インジェクタ８は、改質器７の外周面７ｇから内周面７ｄに貫通し、且つ改質触媒６より上流側に軽油を噴射可能な位置に設けられている。改質触媒６は、例えばロジウム（Ｒｈ）等を含む触媒であって、軽油と排ガス中の酸素（Ｏ_２）、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）とを反応させ、軽油を改質して一酸化炭素（ＣＯ）、水素（Ｈ_２）、炭化水素（ＨＣ）を生成するとともに、約７００〜８００℃の反応熱を発生する。フィルタ５と改質触媒６とは、改質触媒６の内周部にフィルタ５が位置するように配置されている。したがって、フィルタ５と改質触媒６とは、改質触媒６が、フィルタ５を周方向の全周にわたって包囲（図３参照）するとともに、隔壁７ａが、フィルタ５と改質触媒６とに直接接触した状態となっている。すなわち、改質触媒６が軽油を改質する際に発生した反応熱は、隔壁７ａを介してフィルタ５に直接伝達されるようになっている。

図２に示すように、隔壁７ａの上流側の端部の外周面７ｃと、改質器７の上流側の内周面７ｄとの間には、周方向に開口する開口部７ｅが形成されている。また、隔壁７ａの下流側の端部の外周面７ｃと、改質器７の下流側の内周面７ｄとの間にも、周方向に開口する開口部７ｆが形成されている。すなわち、排気管４から改質器７内に流入した排ガスのうち、その大部分が隔壁７ａの内部を通ってフィルタ５を通過する一方で、残りの一部は開口部７ｅを通って、隔壁７ａの外周面７ｃと改質器７の内周面７ｄとの間に流入する構造となっている。隔壁７ａの外周面７ｃと改質器７の内周面７ｄとの間に流入した排ガスは、改質触媒６を通過した後に開口部７ｆを通り、フィルタ５を通過した排ガスと合流して改質器７の外部に排出される。

以上のように、フィルタ５と改質触媒６とは、隔壁７ａによって隔てられた改質器７内に並列に配置されるとともに、隔壁７ａを介して接触した状態となっている。気体と比較すると、固体、すなわち隔壁７ａは熱伝導率が大きいため、改質触媒６が発生する反応熱が、効率よくフィルタ５に伝達される構造となっている。また、改質器７内に流入した排ガスの一部は、隔壁７ａの開口部７ｅを通って分岐され、隔壁７ａの外周面７ｃと改質器７の内周面７ｄとの間に設けられた改質触媒６を通過する構造となっている。

図１に戻って、改質器７の下流側にはＮＯｘ吸蔵還元触媒１０が接続されており、さらにその下流側には選択還元触媒１１が接続されている。ＮＯｘ吸蔵還元触媒１０は、バリウム（Ｂａ）等のアルカリ土類金属を吸蔵材として含む触媒であって、排ガスがリーン状態、すなわちインジェクタ８が軽油を噴射しておらず、排ガス中の空気濃度が高い状態である酸化雰囲気において、排ガス中に含まれる窒素酸化物（以下、ＮＯｘと略称する）を一時的に吸蔵する。一方、排ガスがリッチ状態、すなわちインジェクタ８が軽油を噴射して、排ガス中の空気濃度が低い状態である還元雰囲気において、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１０は、改質触媒６が生成した一酸化炭素、水素、炭化水素を還元剤として反応し、吸蔵したＮＯｘを放出して窒素（Ｎ_２）に還元するとともに、アンモニア（ＮＨ_３）を生成する。また、選択還元触媒１１は、排ガス中に残留するＮＯｘを、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１０が生成したアンモニアと反応させて窒素に還元する。

次に、この実施の形態１に係る排ガス浄化装置の動作について説明する。
まず、インジェクタ８が軽油を噴射しておらず、改質器７内の排ガスがリーン状態である場合の動作について説明する。
図１に示すように、ディーゼルエンジン１から排出された排ガスは、排気マニフォルド３、排気管４を順次通り、改質器７内に流入する。改質器７内に流入した排ガスのうち、その大部分は隔壁７ａ（図２参照）の内部を通ってフィルタ５を通過し、この通過の際に、排ガス中に含まれるＰＭがフィルタ５に捕獲される。一方、改質器７内に流入した排ガスの一部は、開口部７ｅを通って隔壁７ａの外周面７ｃと改質器７の内周面７ｄとの間に流入するが、インジェクタ８は軽油を噴射していないため、改質触媒６における反応は起こらない。隔壁７ａの外周面７ｃと改質器７の内周面７ｄとの間に流入した排ガスは下流側の開口部７ｆを通り、隔壁７ａの内部を通ってフィルタ５を通過した排ガスと合流し、改質器７から排出される。

次いで、改質器７から排出された排ガスはＮＯｘ吸蔵還元触媒１０を通過する。ここで、インジェクタ８は軽油を噴射していないため、排ガスは酸化雰囲気にあり、排ガス中に含まれるＮＯｘがＮＯｘ吸蔵還元触媒１０に吸蔵される。また、ＮＯｘ吸蔵還元触媒を通過した排ガスは、選択還元触媒１１を通過するが、排ガスがリーン状態で酸化雰囲気にある場合、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１０はアンモニアを生成しないため、選択還元触媒１１における反応は起きない。以上のように、排ガスがリーン状態である場合、排ガス中のＰＭはフィルタ５に捕獲され、ＮＯｘはＮＯｘ吸蔵還元触媒１０に吸蔵される。したがって、排ガス浄化装置の外部には、ＰＭやＮＯｘを含まない排ガスが排出される。

次に、インジェクタ８が軽油を噴射して、改質器７内の排ガスがリッチ状態になった場合の動作を説明する。
フィルタ５に捕獲されたＰＭが堆積して所定の量になると、インジェクタ８が軽油を噴射し、改質触媒６に軽油を供給する。改質触媒６は、開口部７ｅを通って隔壁７ａの外周面７ｃと改質器７の内周面７ｄとの間に流入した排ガス中の酸素と、インジェクタ８から供給された軽油とを反応させて軽油を改質し、一酸化炭素を生成するとともに、約７００〜８００℃の反応熱を発生する。ここで、フィルタ５と改質触媒６とは、隔壁７ａを介して接触しているため、改質触媒６が発生した反応熱がフィルタ５に直接伝達され、フィルタ５が加熱される。フィルタ５が加熱されてその温度が上昇すると、フィルタ５に捕獲されていたＰＭが燃焼して除去され、フィルタ５が再生される。

隔壁７ａの外周面７ｃと改質器７の内周面７ｄとの間に流入した排ガスと、改質触媒６が生成した一酸化炭素、水素、炭化水素とは、下流側の開口部７ｆを通り、隔壁７ａ内のフィルタ５を通過した排ガスと合流して改質器７の外部に排出され、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１０を通過する。ＮＯｘ吸蔵還元触媒１０は、改質触媒６が生成した一酸化炭素、水素、炭化水素を還元剤として反応し、排ガスが酸化雰囲気にあるときに吸蔵したＮＯｘを放出して窒素に還元するとともに、アンモニアを生成する。また、選択還元触媒１１は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１０で還元されず、排ガス中に残留しているＮＯｘが存在する場合に、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１０が生成したアンモニアとＮＯｘとを反応させて窒素に還元する。

このように、改質器７内に、フィルタ５と改質触媒６とに直接接触する隔壁７ａを設けたので、改質触媒６が軽油を改質する際に発生する反応熱が、隔壁７ａを介して直接フィルタ５に伝達される。フィルタ５は、改質触媒６の反応熱以外を必要とすることなく、ＰＭを燃焼させて除去できる温度まで加熱される。したがって、フィルタ５が捕獲したＰＭを効率よく除去することが可能となる。
また、改質触媒６が、フィルタ５を周方向に包囲するように構成したので、改質触媒６の反応熱が、周方向からフィルタ５に伝達される。したがって、フィルタ５を効率よく加熱してＰＭを除去する効率をさらに向上することができる。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係る排ガス浄化装置について説明する。この実施の形態２に係る排ガス浄化装置は、実施の形態１に対して、フィルタと改質触媒とを、熱伝達部材である隔壁を介さずに直接接触させたものである。尚、以下の実施の形態において、図１〜３の参照符号と同一の符号は、同一または同様な構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
図４に、この実施の形態２に係る排ガス浄化装置の改質器１７を示す。改質器１７は中空の略円筒形状を有する金属製の容器であって、その外形は、実施の形態１における改質器７と同様である。改質器１７の内部における上流側には、中空の円筒形状を有する隔壁１７ａが、その下流側の端部１７ｂが改質器１７内の軸方向における中間部近傍に位置するように設けられており、改質器１７の内部を２つに隔てている。

隔壁１７ａの下流側には、円筒形状を有するフィルタ１５が、その上流側の端部１５ａと隔壁１７ａの下流側の端部１７ｂとが接触するように設けられている。フィルタ１５は、実施の形態１におけるフィルタ５と同様のウォールフロー方式のフィルタであって、排ガス中の気体成分を下流側に通過させる際に、排ガス中に含まれるＰＭを捕獲する。また、フィルタ１５の外周面１５ｂと改質器１７の内周面１７ｃとの間には、中空の円筒形状を有する改質触媒１６が、その内周面１６ａとフィルタ１５の外周面１５ｂとが接触し、且つ改質触媒１６の外周面１６ｂと改質器１７の内周面１７ｃとが接触するように設けられている。改質触媒１６は、実施の形態１における改質触媒６と同様の触媒であって、軽油と排ガス中の酸素、水蒸気とを反応させ、軽油を改質して一酸化炭素、水素、炭化水素を生成するとともに、約７００〜８００℃の反応熱を発生する。すなわち、改質触媒１６が軽油を改質する際に発生した反応熱が、フィルタ１５に直接伝達されるようになっている。

隔壁１７ａの上流側の端部の外周面１７ｄと、改質器１７の上流側の内周面１７ｃとの間には、周方向に開口する開口部１７ｅが形成されている。すなわち、排気管４から改質器１７内に流入した排ガスのうち、その大部分が隔壁１７ａの内部を通ってフィルタ１５を通過する一方で、残りの一部は開口部１７ｅを通って、隔壁１７ａの外周面１７ｄと改質器１７の内周面１７ｃとの間に流入する構造となっている。隔壁１７ａの外周面１７ｄと改質器１７の内周面１７ｃとの間に流入した排ガスは、改質触媒１６を通過した後に、フィルタ１５を通過した排ガスと合流して改質器１７の外部に排出される。その他の構成については、実施の形態１と同様である。
以上のように、フィルタ１５と改質触媒１６とを、直接接触させたため、改質触媒１６の反応熱が、直接フィルタ１５に伝達され、フィルタ１５が、改質触媒１６の反応熱以外を必要とすることなく、ＰＭを燃焼させて除去できる温度まで加熱される。したがって、実施の形態１と同様に、フィルタが捕獲したＰＭを効率よく除去することが可能となる。

実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３に係る排ガス浄化装置について説明する。
図５に、この実施の形態３に係る排ガス浄化装置の改質器７を示す。
改質器７の内部において、隔壁７ａ内で、且つフィルタ５の上流側に位置する部位には、ステンレス等の金属からなる昇温部材２１が設けられている。昇温部材２１は、中空の円筒形状の外周部２１ａと、外周部２１ａの内部に設けられる網状のメッシュ部２１ｃとから構成されており、外周部２１ａの外周面２１ｂと隔壁７ａの内周面７ｂとが当接している。メッシュ部２１ｃは、図５に示すように、軸方向に延びるように形成されており、隔壁７ａ内を流れる排ガスが、メッシュ部２１ｃを通過した後に、フィルタ５を通過するようになっている。また、昇温部材２１は、改質触媒６と隔壁７ａを介して接触した状態となっている。その他の構成については、実施の形態１と同様である。

このように、フィルタ５の上流側である隔壁内に、隔壁７ａを介して改質触媒６と接触するように配置されるとともに、内部を排ガスが流通可能である昇温部材２１を設けたので、改質触媒６の反応熱により昇温部材２１が加熱され、昇温部材２１の内部に形成されたメッシュ部２１ｃを通過する排ガスの温度が上昇する。すなわち、フィルタ５は、隔壁７ａを介して改質触媒６から直接伝達される反応熱の他に、メッシュ部２１ｃを通過した排ガスによっても加熱される。したがって、フィルタ５を加熱する効率が向上するため、フィルタ５が捕獲したＰＭを燃焼させて除去する効率を、さらに向上することが可能となる。

実施の形態１、２において、改質器の内部を隔壁により２つに隔てたが、その数を限定するものではなく、例えば、異なる径を有する隔壁を同心円状に複数形成し、フィルタと改質触媒とを交互に配置した多層構造とすることも可能である。
実施の形態１、２において、改質器内の隔壁に開口部を形成し、排ガスの一部が隔壁の外周面と改質器の内周面との間に流入するように構成したが、排ガスが隔壁の外周面と改質器の内周面との間に常時流入することに限定するものではない。例えば、改質器の上流側に形成された開口部を開閉するバルブを設け、軽油を改質する場合のみ、バルブを開弁して排ガスを通すように構成することも可能である。
また、実施の形態１、２において、改質触媒がフィルタを周方向の全周にわたって包囲したが、全周にわたって包囲することに限定するものではなく、周方向における一部が欠けた状態で包囲することも可能である。

この発明の実施の形態１に係る排ガス浄化装置の構成を示す概略図である。実施の形態１に係る改質器の構成を示す断面側面図である。実施の形態１に係る改質器の、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面を示す断面正面図である。この発明の実施の形態２に係る排ガス浄化装置の改質器の構成を示す断面側面図である。この発明の実施の形態３に係る排ガス浄化装置の改質器の構成を示す断面側面図である。実施の形態３に係る改質器の、図５のＩＶ−ＩＶ断面を示す断面正面図である。

符号の説明

１ディーゼルエンジン（エンジン）、４排気管、５，１５フィルタ、６，１６改質触媒、７ａ隔壁（熱伝達部材）、８インジェクタ、２１昇温部材。

Claims

エンジンの排気管に設けられ、排ガス中に含まれる粒子状物質を捕獲するフィルタと、
前記エンジンの前記排気管に設けられ、燃料を改質して反応熱を発生する改質触媒と、
前記改質触媒に、前記燃料を供給するインジェクタと
を備え、前記粒子状物質を浄化する排ガス浄化装置において、
前記フィルタと前記改質触媒とに、直接接触する熱伝達部材をさらに備えることを特徴とする排ガス浄化装置。
エンジンの排気管に設けられ、排ガス中に含まれる粒子状物質を捕獲するフィルタと、
前記エンジンの前記排気管に設けられ、燃料を改質して反応熱を発生する改質触媒と、
前記改質触媒に、前記燃料を供給するインジェクタと
を備え、前記粒子状物質を浄化する排ガス浄化装置において、
前記フィルタと前記改質触媒とが、直接接触することを特徴とする排ガス浄化装置。
前記改質触媒が、前記フィルタを周方向に包囲する請求項１または２に記載の排ガス浄化装置。
前記フィルタの、前記排ガスが流通する方向における上流側には、前記排ガスが流通するとともに、前記改質触媒の反応熱が伝達される昇温部材が設けられる請求項１〜３のいずれか一項に記載の排ガス浄化装置。