JP2009228618A - 排ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フィルタ基材の熱損傷を防止するとともに、強制再生処理時の燃料使用量を低減し燃費を向上させる。
【解決手段】PMの濾過機能が低い上流側フィルタ４の下流側に、PMの濾過機能が高い下流側フィルタ５を配置した。
可溶性高分子量炭化水素（ SOF）を多く含む粗大なPM粒子が上流側フィルタ４に優先的に捕集される。 SOFはカーボンより着火温度が低いため、上流側フィルタ４における反応熱で昇温した排ガスが下流側フィルタ５に流れる。したがって下流側フィルタ５でも早期にPMが燃焼する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ディーゼル排ガスなどに含まれるパティキュレート（以下、PMという）を効率よく捕集するとともに、強制再生時におけるフィルタの熱損傷を抑制できる排ガス浄化装置に関する。

ガソリンエンジンについては、排ガスの厳しい規制とそれに対処できる技術の進歩とにより、排ガス中の有害成分は確実に減少している。一方、ディーゼルエンジンについては、有害成分がPM（炭素微粒子、サルフェート等の硫黄系微粒子、可溶性高分子量炭化水素微粒子（ SOF）等）として排出されるという特異な事情から、ガソリンエンジンの場合より排ガスの浄化が難しい。

そこで従来より、セラミック製の目封じタイプのハニカム体（ディーゼルパティキュレートフィルタ（以下 DPFという））が知られている。この DPFは、セラミックハニカム構造体のセルの開口部の両端を例えば交互に市松状に目封じしてなるものであり、排ガス下流側で目詰めされた流入側セルと、流入側セルに隣接し排ガス上流側で目詰めされた流出側セルと、流入側セルと流出側セルを区画するセル隔壁とよりなり、セル隔壁の細孔で排ガスを濾過してPMを捕集する。

しかし DPFでは、PMの堆積によって排気圧損が上昇するため、何らかの手段で堆積したPMを定期的に除去して再生する必要がある。そこで従来は、排気圧損が上昇した場合に高温の排ガスを流してPMを燃焼させることで DPFを再生することが行われている。例えば DPFの上流側に酸化触媒を配置し、排ガス中に燃料などの炭化水素を供給して酸化触媒における反応熱で排ガス温度を上昇させ、その高温の排ガスを DPFに供給することで堆積したPMを酸化する方法が知られている。

また例えば特表2002−531762号公報には、 DPFの上流側に酸化触媒を配置し、酸化触媒においてNOをNO₂ に酸化し、酸化活性の高いNO₂ を DPFに供給することで堆積したPMを酸化する方法が記載されている。

しかしながら堆積したPMを酸化燃焼させて DPFを強制再生する場合には、PMの堆積量が多いと加速度的な燃焼が生じ、時には熱暴走が生じて DPFの中心部や下流側端部に熱損傷が生じる場合があった。

そこで近年では、例えば特公平07−106290号公報に記載されているように、 DPFのセル隔壁の表面にアルミナなどからコート層を形成し、そのコート層に白金（Pt）などの触媒金属を担持したフィルタ触媒が開発されている。このフィルタ触媒によれば、捕集されたPMが触媒金属の触媒反応によって酸化燃焼するため、捕集と同時にあるいは捕集に連続して燃焼させることでフィルタ触媒を連続的に再生することができる。そして触媒反応は比較的低温で生じること、及び捕集量が少ないうちに燃焼できることから、フィルタ触媒に作用する熱応力が小さく破損が防止されるという利点がある。

また特開平09−094434号公報には、セル隔壁のみならず、セル隔壁の細孔内にも触媒金属を担持したコート層を形成したフィルタ触媒が記載されている。細孔内にも触媒金属を担持することで、PMと触媒金属との接触確率が高まり、細孔内に捕集されたPMも酸化燃焼させることができる。

ところがフィルタ触媒においても、触媒金属が活性化する前の低温域ではPMが堆積する。また高温域であっても、運転状況によって多量のPMが急激にフィルタ触媒に流入した場合には、触媒金属による酸化燃焼が追いつかずPMが堆積する場合がある。そしてPMの堆積が進行すると、触媒金属と接触しないPMが存在するようになり、そのようなPMは酸化燃焼されず堆積状態が保持されるため、圧損が上昇するという不具合がある。

したがってフィルタ触媒においても、堆積したPMを燃焼する強制再生処理を行う必要があるが、PMの堆積量が多い場合には熱暴走によって基材の熱損傷が生じる場合がある。

また DPFに堆積したPMを燃焼するには、約 600℃以上の高温とする必要がある。上流側に配置された酸化触媒による酸化反応を利用して DPFに流入する排ガスを加熱する方法では、約 600℃以上の高温を保持するために排ガス中に長時間継続して燃料を供給する必要があり、燃費が悪化するという問題を有している。
特開平09−094434号公報 特表2002−531762号公報

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、フィルタ基材の熱損傷を防止するとともに、強制再生処理時の燃料使用量を低減し燃費を向上させることを解決すべき課題とする。

上記課題を解決する本発明の排ガス浄化装置の特徴は、PMを含む排ガスが流れる排ガス流路に配置された上流側フィルタと、上流側フィルタの排ガス下流側に配置された下流側フィルタとを備え、
上流側フィルタにおけるPMの濾過機能は下流側フィルタにおけるPMの濾過機能より低いことにある。

本発明の排ガス浄化装置によれば、上流側フィルタにおけるPMの濾過機能は下流側フィルタにおけるPMの濾過機能より低い。したがって、粗大なPM粒子が上流側フィルタに優先的に捕集され、上流側フィルタをすり抜けたPM粒子が下流側フィルタに捕集される。ここで、粗大なPM粒子は、微細なカーボン粒子が粘着性を有する SOFによって結合された凝集体であり、粒径が大きいことと粘着性を有するために上流側フィルタに優先的に捕集される。したがって上流側フィルタに捕集されるPMは、下流側フィルタで捕集されるPMより SOFの含有量が多くなる。

カーボン粒子の自然着火温度は約 550℃であるが、 SOFは約 300℃で自然着火する。したがって上記のようにPMが堆積した本発明の排ガス浄化装置に高温の排ガスを流通させると、上流側フィルタで先ず SOFが燃焼し、その反応熱によって上流側フィルタに堆積したカーボン粒子が燃焼する。そして、上流側フィルタにおける反応熱によって温度が上昇した排ガスが下流側フィルタに流入する。したがって下流側フィルタにおいてもPMの燃焼が早期に生じ、上流側フィルタ及び下流側フィルタを効率よく強制再生することができる。

すなわち本発明の排ガス浄化装置によれば、強制再生に要する時間を短縮することができ、排ガス中にHCを添加する時間を短縮できるため燃費が向上する。

また異なる濾過機能を有する二つのフィルタを用いているため、一つのフィルタで捕集する場合に比べてフィルタの全長（合計長さ）を短くすることができる。したがって装置の小型化が可能となるとともに、PMの燃焼伝播が安定的に持続しフィルタ内部の温度が均一化されるため、熱暴走が生じにくく熱損傷を防止することができる。

さらにフィルタ内部の温度が均一化されることで、フィルタの単位容量あたりのPM堆積限界量を増加させることが可能となる。したがって強制再生の頻度を低減することができ、燃費が向上する。

本発明の排ガス浄化装置は、排ガス流路に上流側フィルタと下流側フィルタとを、排ガス流れ方向にこの順に直列に配置している。上流側フィルタ及び下流側フィルタは、それぞれPMを捕集可能なものであれば形状は特に制限されず、ハニカム形状のもの、フォーム形状のものなど各種フィルタを用いることができる。またその材質も、セラミックス、金属など耐熱性を有する材質を用いることができる。

本発明においては、上流側フィルタにおけるPMの濾過機能は、下流側フィルタにおけるPMの濾過機能より低くなるように構成され、その結果、上流側フィルタに捕集されるPMは下流側フィルタで捕集されるPMより SOFの含有量が多くなる。

上流側フィルタと下流側フィルタとで、上記のように濾過機能に差を形成するには、例えばフィルタの空孔率に差を付ける方法、あるいはフィルタの空孔径に差を付ける方法がある。これらの方法は、 DPFとして一般に用いられているハニカム形状のセラミック製フィルタを用いる場合に最適である。

すなわち一般的なハニカム形状の DPFは、排ガス下流側で目詰めされた流入側セルと、流入側セルに隣接し排ガス上流側で目詰めされた流出側セルと、流入側セルと流出側セルを区画し多数の細孔を有する多孔質のセル隔壁とを有している。このような DPFを上流側フィルタ及び下流側フィルタに用いた場合には、上流側フィルタにおけるセル隔壁の空孔率を50％以上とすることが望ましい。また上流側フィルタにおけるセル隔壁の平均空孔径を 100μｍ以上としてもよく、空孔率が50％以上と平均空孔径が 100μｍ以上の両方を満たすことも好ましい。

このような空孔をもつセル隔壁を有する DPFを上流側フィルタに用いることで、上流側フィルタには SOFを多く含んで凝集した粗大な粒径のPMが優先的に捕集され、 SOFの含有量が低く微細なPMは上流側フィルタをすり抜け易くなる。そして上流側フィルタをすり抜けた微細なPMが下流側フィルタで捕集されるように下流側フィルタのセル隔壁の空孔率あるいは空孔径を設定しておくことで、微細なPMを下流側フィルタで確実に捕集することができる。

したがって下流側フィルタにおけるセル隔壁は、空孔率を30〜50％とする、あるいは平均空孔径を５〜20μｍとすることが好ましい。空孔率が50％以上あるいは平均空孔径が20μｍ以上では微細なPMを捕集することが困難となり、PM排出量が増大してしまう。また空孔率が30％未満あるいは平均空孔径が５μｍ未満では、排気圧損の増大が著しく実用的でない。

上流側フィルタと下流側フィルタの容量比は、上流側フィルタの容量をＸ、下流側フィルタの容量をＹとしたとき、Ｘ／Ｙ＝１／２〜１／１の範囲とするのが望ましい。容量比がこの範囲より小さくなると下流側フィルタのPM堆積量が多くなり過ぎて強制再生時に損傷が生じ易くなり、容量比がこの範囲より大きくなると下流側フィルタにおける排気圧損が上昇し易くなって強制再生処理の頻度を高める必要があり燃費が低下する。

上流側フィルタとして、金属製のものを用いることも好ましい。金属製のフィルタは熱伝導率が高いこと、セラミックス製のものに比べて熱容量が小さいことから、強制再生時の早期着火が可能となり熱伝播も早い。したがって下流側フィルタにおけるPMの燃焼も促進され、強制再生に要する時間をさらに短縮することができる。このような金属製のフィルタとしては、金属薄板をコルゲート加工した波状板と、金属製不織布とを交互に積層したフィルタなどが知られている。

上流側フィルタと下流側フィルタには、セル隔壁の表面及び細孔内に触媒コート層が形成されたフィルタ触媒を用いることが好ましい。フィルタ触媒とすることで、堆積したPMを使用中に酸化燃焼することができ、強制再生までの時間を長くすることができるので燃費がさらに向上する。また少なくとも上流側フィルタをフィルタ触媒とすれば、強制再生時の着火温度が低下するため、強制再生に要する時間をさらに短縮でき燃費が向上する。

フィルタ触媒の触媒コート層としては、アルミナ、ジルコニア、セリア、チタニアなどの多孔質酸化物にPt、Rh、Pdなどの貴金属を担持した酸化触媒、酸化触媒にさらにアルカリ金属、アルカリ土類金属などのNO_x 吸蔵材を担持したNO_x 吸蔵還元触媒などを用いることができる。

強制再生時には、上流側フィルタに流入する排ガス温度を上昇させる。その方法としては、排ガス又は上流側フィルタをヒータなどで加熱する方法もあるが、上流側フィルタがフィルタ触媒の場合には、上流側フィルタの上流側で排ガス中に軽油などの炭化水素を供給するHC供給手段を設けることが望ましい。供給されたHCは上流側フィルタ触媒における触媒反応によって低温域から酸化されるため、その反応熱によって排ガスを早期に昇温でき、下流側フィルタにおいても堆積したPMを燃焼することができる。

また上流側フィルタの上流側に酸化触媒を配置し、酸化触媒の上流側で排ガス中に燃料などのHCを添加することも好ましい。この場合には、酸化触媒における反応熱によって排ガスが昇温されるため、上流側フィルタをフィルタ触媒としなくても、上流側フィルタ及び下流側フィルタに堆積したPMを燃焼することができる。

酸化触媒としては、ストレートフロー構造のハニカム基材にアルミナなどの多孔質酸化物に貴金属を担持したものが好ましく用いられる。担持される貴金属は、HCの酸化活性が高いPtあるいはPdを用いるのが好ましい。

以下、実施例及び比較例により本発明を具体的に説明する。

（実施例１）
図１に本実施例の排ガス浄化装置を示す。ディーゼルエンジン１のエキゾーストマニホールド10から延びる排気管11には、触媒コンバータ２が接続されている。触媒コンバータ２には、酸化触媒３と、上流側フィルタ触媒４と、下流側フィルタ触媒５とが、排ガス上流側から下流側へこの順に直列に列設されて収納されている。また触媒コンバータ２の上流側には、排ガス中に軽油を添加するインジェクタ６が配置されている。

上流側フィルタ触媒４は、セル隔壁の空孔率が70％、平均空孔径が70μｍのハニカム基材を用いている。また下流側フィルタ触媒５は、セル隔壁の空孔率が45％、平均空孔径が15μｍのハニカム基材を用いている。したがって本実施例の排ガス浄化装置によれば、図２に示すように、 SOFを多く含んで凝集した約 100μｍ以上の粗大なPM粒子が優先的に上流側フィルタ触媒４に捕集され、 SOFの含有量が少なく上流側フィルタ触媒４をすり抜けた微細なPM粒子が下流側フィルタ触媒５に捕集されることになる。

以下、各触媒の製造方法を説明し、構成の詳細な説明に代える。

＜酸化触媒３＞
コージェライト製でストレートフロー構造のハニカム基材（ 400セル／in² 、直径 130mm、１リットル）を用意した。一方、γ-Al₂O₃粉末に予めPtが担持されたPt/Al₂O₃粉末を用意し、アルミナゾル及びイオン交換水と混合しミリングしてスラリーを調製した。このスラリーをハニカム基材にウォッシュコートし乾燥・焼成して、ハニカム基材１Ｌあたり 150ｇの触媒コート層を形成した。Ptは、ハニカム基材１Ｌあたり２ｇ担持されている。

＜上流側フィルタ触媒４＞
コージェライトから形成され、排ガス下流側で目詰めされた流入側セルと、流入側セルに隣接し排ガス上流側で目詰めされた流出側セルと、流入側セルと流出側セルを区画し多数の細孔を有する多孔質のセル隔壁とを有するウォールフロー構造のハニカム基材（ 200セル／in² 、直径 130mm、１リットル、セル隔壁の空孔率70％）を用意した。

一方、γ-Al₂O₃粉末に予めPtが担持されたPt/Al₂O₃粉末を用意し、アルミナゾル及びイオン交換水と混合しミリングしてスラリーを調製した。このスラリーをハニカム基材の流入側セルに充填し流出側セルから吸引してウォッシュコートし、乾燥・焼成してハニカム基材１Ｌあたり50ｇの触媒コート層を形成した。Ptは、ハニカム基材１Ｌあたり２ｇ担持されている。

＜下流側フィルタ触媒５＞
セル隔壁の空孔率が45％であること、平均空孔径が15μｍであること以外は、上流側フィルタ触媒４と同様のハニカム基材を用意し、上流側フィルタ触媒４と同様にしてハニカム基材１Ｌあたり50ｇの触媒コート層を形成した。Ptは、ハニカム基材１Ｌあたり２ｇ担持されている。

（実施例２）
図３に示すように、酸化触媒３を用いなかったこと以外は実施例１と同様である。

（比較例１）
比較例１の排ガス浄化装置を図４に示す。この排ガス浄化装置は、実施例１と同様の酸化触媒３の下流側にフィルタ触媒７のみを配置している。フィルタ触媒７は、セル隔壁の空孔率が50％であること、容積が２倍の２リットルであること以外は実施例１の上流側フィルタ触媒４と同様であり、ハニカム基材１Ｌあたり50ｇの触媒コート層が形成され、ハニカム基材１Ｌあたり２ｇのPtが担持されている。

（比較例２）
図５に示すように、酸化触媒３を用いずフィルタ触媒７のみを用いたこと以外は比較例１と同様である。

（比較例３）
図６に示すように、酸化触媒３の下流側に実施例１と同様の下流側フィルタ触媒５を配置し、下流側フィルタ触媒５の下流側に上流側フィルタ触媒４を配置して、比較例３の排ガス浄化装置とした。

＜試験例１＞
上記した各排ガス浄化装置について、ディーゼルエンジン１を定常運転しながら、総量で10ｇのPMを堆積させた。その間、触媒コンバータ２の上流側と下流側における排ガス圧力を測定し、排気圧損を検出した。

実施例１、実施例２においては、上流側フィルタ触媒４と下流側フィルタ触媒５とにそれぞれ５ｇのPMが堆積していることを確認した。また各実施例及び比較例１〜２においては、運転中における排気圧損の異常な上昇は認められなかった。しかし比較例３では、PMが10ｇ堆積するまでに排気圧損の異常な上昇が認められ、上流側に配置された下流側フィルタ触媒５に大部分のPMが堆積し、下流側に配置された上流側フィルタ触媒４には僅かなPMしか堆積していなかった。

上記のようにPMを堆積させた後、触媒コンバータ２へ流入する排ガス温度が 300℃となる条件でディーゼルエンジン１を５分間運転した。その直後に、インジェクタ６から排ガス中に軽油を２ｇ／分の添加量で添加しながら、さらに５分間運転する強制再生処理を行った。

この試験後に各触媒の重量を測定し、PM除去率を算出した。またこの試験とは別に、軽油を添加しながらの運転時間を10分間としたこと以外は同様にして試験し、同様にPM除去率を算出した。結果を表１に示す。なお表１には排気圧損の結果を○（異常無し）と×（異常有り）で示している。

表１より、当然ながら軽油添加時間が長いほどPM除去率が高い。そして実施例１及び実施例２は、比較例１及び比較例２に比べてPM除去率が高く、軽油添加時間が５分間でも比較例１及び比較例２の10分間と同等のPM除去率が発現されていることがわかる。これは、空孔率の異なる二つのフィルタ基材を用いたことによる効果であることが明らかである。また実施例２と比較例２との比較から、この効果は酸化触媒の有無に関わらず発現されていることもわかる。

さらに比較例３では、PM除去率は比較例２より高いものの排気圧損が高いことから、排ガス浄化装置として実用的でない。

＜試験例２＞
実施例１、２及び比較例１〜３の排ガス浄化装置について、総堆積量が10ｇ、12ｇ、14ｇ、16ｇ、18ｇ、20ｇとなるようにそれぞれPMを堆積させた。実施例１、実施例２においては、上流側フィルタ触媒４と下流側フィルタ触媒５とにそれぞれ半量ずつのPMが堆積していることを確認した。

その後、触媒コンバータ２へ流入する排ガス温度が 300℃となる条件でディーゼルエンジン１を５分間運転した。その直後に、インジェクタ６から排ガス中に軽油を２ｇ／分の添加量で添加しながら、さらに５分間運転する強制再生処理を行った。

この試験後に各フィルタ触媒を取り出し、目視によって損傷及びクラックの有無を検査した。結果を表２に示す。

表２より、各比較例では12ｇのPM堆積量で損傷やクラックが発生しているのに対し、各実施例においては16ｇのPM堆積量でも損傷やクラックは生じていない。すなわち各実施例の排ガス浄化装置によれば、従来と同様の触媒容量であっても従来に比べてPM堆積限界値が増大し、強制再生までの時間を延長することができる。また比較例と同じPM堆積量となった時点で強制再生処理を行うとすれば、実施例では強制再生時間を短縮することができる。したがって強制再生時に用いる軽油の使用量を低減でき、燃費が向上する。

さらに比較例と同じPM堆積量となった時点で、比較例と同じ時間だけ強制再生を行うとすれば、フィルタ触媒の容量を縮小すること、つまり長さを短くすることができる。したがって装置の小型化が可能となる。

本発明の一実施例に係る排ガス浄化装置の構成を示す断面図である。 本発明の一実施例に係る排ガス浄化装置の作用を模式的に示す説明図である。 本発明の第２の実施例に係る排ガス浄化装置の構成を示す断面図である。 比較例１に係る排ガス浄化装置の構成を示す断面図である。 比較例２に係る排ガス浄化装置の構成を示す断面図である。 比較例３に係る排ガス浄化装置の構成を示す断面図である。

符号の説明

２：触媒コンバータ ３：酸化触媒 ４：上流側フィルタ触媒
５：下流側フィルタ触媒 ６：インジェクタ（HC供給手段）

Claims (6)

1. パティキュレートを含む排ガスが流れる排ガス流路に配置された上流側フィルタと、該上流側フィルタの排ガス下流側に配置された下流側フィルタとを備え、
   該上流側フィルタにおけるパティキュレートの濾過機能は該下流側フィルタにおけるパティキュレートの濾過機能より低いことを特徴とする排ガス浄化装置。
2. 前記上流側フィルタは、排ガス下流側で目詰めされた流入側セルと、該流入側セルに隣接し排ガス上流側で目詰めされた流出側セルと、該流入側セルと該流出側セルを区画し多数の細孔を有する多孔質のセル隔壁とを有し、該セル隔壁の空孔率が50％以上である請求項１に記載の排ガス浄化装置。
3. 前記上流側フィルタは、排ガス下流側で目詰めされた流入側セルと、該流入側セルに隣接し排ガス上流側で目詰めされた流出側セルと、該流入側セルと該流出側セルを区画し多数の細孔を有する多孔質のセル隔壁とを有し、該セル隔壁の平均空孔径が 100μｍ以上である請求項１又は請求項２に記載の排ガス浄化装置。
4. 少なくとも前記上流側フィルタは触媒コート層が形成されたフィルタ触媒である請求項１〜３のいずれかに記載の排ガス浄化装置。
5. 前記上流側フィルタの排ガス上流側には、前記上流側フィルタに流入する排ガス中に炭化水素を供給するHC供給手段をさらに備えた請求項４に記載の排ガス浄化装置。
6. 前記上流側フィルタの排ガス上流側には酸化触媒と、該酸化触媒に流入する排ガス中に炭化水素を供給するHC供給手段と、をさらに備えた請求項１〜４のいずれかに記載の排ガス浄化装置。

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