JP2011021581A

JP2011021581A - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP2011021581A
Application number: JP2009169697A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Hayashizaki; 圭一林崎
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2009-07-21
Filing date: 2009-07-21
Publication date: 2011-02-03

Abstract

【課題】パティキュレートフィルタの再生温度の低温化を実現する。
【解決手段】排気管１１途中にパティキュレートフィルタ１３を装備した排気浄化装置に関し、排気空燃比がリーンの時に排気ガス中のＯ₂を一時的に吸蔵し且つ排気空燃比がリッチの時にＯ₂を放出する性質を備えたセリア（酸素吸蔵物質）と、該セリアから放出されたＯ₂を触媒作用により活性酸素種とする酸化銀（金属触媒）とを混合した混合物を前記パティキュレートフィルタ１３に担持させ、該パティキュレートフィルタ１３の入側の排気管１１内に燃料を断続的に添加し得る燃料添加ノズル１７（燃料添加手段）を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気ガス中のパティキュレートをパティキュレートフィルタにより捕集して前記排気ガスの浄化を図る排気浄化装置に関するものである。

ディーゼルエンジンから排出されるパティキュレート（Particulate Matter：粒子状物質）は、炭素質から成る煤と、高沸点炭化水素成分から成るＳＯＦ分（Soluble Organic Fraction：可溶性有機成分）とを主成分とし、更に微量のサルフェート（ミスト状硫酸成分）を含んだ組成を成すものであるが、この種のパティキュレートの低減対策としては、排気ガスが流通する排気管の途中に、パティキュレートフィルタを装備することが従来より行われている。

この種のパティキュレートフィルタは、コージェライト等のセラミックから成る多孔質のハニカム構造を成し、格子状に区画された各流路の入口が交互に目封じされ、入口が目封じされていない流路については、その出口が目封じされるようになっており、各流路を区画する多孔質薄壁を透過した排気ガスのみが下流側へ排出される一方、排気ガス中のパティキュレートが多孔質薄壁の内側表面に捕集されるようになっている。

そして、排気ガス中のパティキュレートは、前記多孔質薄壁の内側表面に捕集されて堆積するので、目詰まりにより排気抵抗が増加しないうちにパティキュレートを適宜に燃焼除去してパティキュレートフィルタの再生を図る必要があるが、通常のディーゼルエンジンの運転状態においては、パティキュレートが自己燃焼するほどの高い排気温度が得られる機会が少ない為、白金やパラジウム等を活性種として含む酸化触媒をパティキュレートフィルタに一体的に担持させるようにしている。

即ち、このような酸化触媒を担持させたパティキュレートフィルタを採用すれば、捕集されたパティキュレートの酸化反応が触媒作用により促進されて着火温度が低下し、従来より低い排気温度でもパティキュレートを燃焼除去することが可能となるのである。

ただし、斯かるパティキュレートフィルタを採用した場合であっても、排気温度の低い運転領域では、パティキュレートの処理量よりも捕集量が上まわってしまうので、このような低い排気温度での運転状態が続くと、パティキュレートフィルタの再生が良好に進まずに該パティキュレートフィルタが過捕集状態に陥る虞れがある。

そこで、パティキュレートフィルタの入側にフロースルー型の酸化触媒を付帯装備させ、パティキュレートの堆積量が増加してきた段階でパティキュレートフィルタより上流側に燃料を添加してパティキュレートフィルタの強制再生を行うことが考えられている。

つまり、このようにすれば、燃料添加で生じた高濃度の炭化水素が酸化触媒を通過する間に酸化反応し、その反応熱で昇温した排気ガスの流入により直後のパティキュレートフィルタの床温度が上げられてパティキュレートが燃やし尽くされ、パティキュレートフィルタの再生化が図られることになる（例えば、下記の特許文献１参照）。

尚、この種の燃料添加を実行するための具体的手段としては、圧縮上死点付近で行われる燃料のメイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い非着火のタイミングでポスト噴射を行うことで排気ガス中に燃料を添加するのが一般的である。

特開２００３−１９３８２４号公報

しかしながら、斯かる従来の排気浄化装置においては、パティキュレートフィルタの再生温度として約６５０℃程度の床温度が必要であったため、例えば都市部の路線バス等のように渋滞路ばかりを走行するような運行形態の車両等では、排気温度の低い運転状態が長く続いてしまい、パティキュレートフィルタの再生温度を約６５０℃に維持するのに添加燃料のコストが嵩んでしまうという問題があり、パティキュレートフィルタの再生温度の更なる低温化が望まれている。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、パティキュレートフィルタの再生温度の低温化を実現することを目的としている。

本発明は、排気管途中にパティキュレートフィルタを装備した排気浄化装置において、排気空燃比がリーンの時に排気ガス中のＯ₂を一時的に吸蔵し且つ排気空燃比がリッチの時にＯ₂を放出する性質を備えた酸素吸蔵物質と、該酸素吸蔵物質から放出されたＯ₂を触媒作用により活性酸素種とする金属触媒とを混合した混合物を前記パティキュレートフィルタに担持させ、該パティキュレートフィルタの入側の排気管内に燃料を断続的に添加し得る燃料添加手段を設けたことを特徴とするものである。

而して、パティキュレートフィルタの強制再生を行う必要が生じた際に、燃料添加手段により断続的に燃料添加を行うと、その燃料添加を休止している間の排気空燃比がリーンとなり、その燃料添加を実行している間の排気空燃比がリッチとなるので、パティキュレートフィルタに担持されている酸素吸蔵物質でＯ₂の吸蔵と放出が交互に繰り返され、該酸素吸蔵物質から放出されたＯ₂が金属触媒の表面で触媒作用により強い酸化力を持つ活性酸素種となり、該活性酸素種により捕集済みパティキュレートの酸化反応が著しく促進されて従来よりも低い床温度からパティキュレートフィルタの強制再生が開始される。

また、本発明においては、酸素吸蔵物質をセリア、ジルコニア、チタニアのうちの少なくとも一種類以上とし、金属触媒を酸化銀、酸化鉄、酸化銅のうちの少なくとも一種類以上することが可能であり、より好ましくは、酸素吸蔵物質としてセリアを選定し且つ金属触媒として酸化銀を選定して組み合わせると良い。

更に、パティキュレートフィルタと燃料添加手段との間には、酸化触媒を介装することが可能であり、このようにすれば、燃料添加手段による燃料添加で生じた高濃度の炭化水素の一部が酸化触媒を通過する間に酸化反応し、その反応熱で昇温した排気ガスの流入により直後のパティキュレートフィルタの床温度が上げられ、捕集済みパティキュレートの酸化反応が助勢される。

上記した本発明の排気浄化装置によれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。

（Ｉ）本発明の請求項１、２、３に記載の発明によれば、燃料添加手段によりパティキュレートフィルタの入側の排気管内に燃料を断続的に添加することによって、パティキュレートフィルタに担持された酸素吸蔵物質にＯ₂の吸蔵と放出を交互に行わしめ、その放出されたＯ₂を金属触媒の表面で触媒作用により強い酸化力を持つ活性酸素種とし、この活性酸素種により捕集済みパティキュレートの酸化反応を著しく促進して従来よりも低い床温度からパティキュレートフィルタの強制再生を開始することができるので、パティキュレートフィルタの再生温度の大幅な低温化を実現することができ、排気温度の低い運転状態が長く続いてしまうような運行形態の車両であっても添加燃料のコストを大幅に削減することができる。

（ＩＩ）本発明の請求項４に記載の発明によれば、燃料添加手段による添加燃料の一部が酸化触媒で酸化反応することにより生じた反応熱でパティキュレートフィルタの床温度を上げることができ、これにより捕集済みパティキュレートの酸化反応を助勢することができる。

本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。燃料添加制御による排気空燃比の変化を示すグラフである。

以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１及び図２は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図１中における１はターボチャージャ２を装備したディーゼルエンジンを示しており、エアクリーナ３から導かれた吸気４が吸気管５を通し前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａへと送られ、該コンプレッサ２ａで加圧された吸気４がインタークーラ６へと送られて冷却され、該インタークーラ６から更に吸気マニホールド７へと吸気４が導かれてディーゼルエンジン１の各気筒８（図１では直列６気筒の場合を例示している）に分配されるようになっている。

更に、このディーゼルエンジン１の各気筒８から排出された排気ガス９は、排気マニホールド１０を介しターボチャージャ２のタービン２ｂへと送られ、該タービン２ｂを駆動した排気ガス９が排気管１１を介し車外へ排出されるようにしてある。

そして、この排気管１１の途中には、フィルタケース１２が介装されており、該フィルタケース１２内には、酸化触媒を一体的に担持して成る触媒再生型のパティキュレートフィルタ１３が収容されている。

このパティキュレートフィルタ１３は、セラミックから成る多孔質のハニカム構造となっており、格子状に区画された各流路の入口が交互に目封じされ、入口が目封じされていない流路については、その出口が目封じされるようになっており、各流路を区画する多孔質薄壁を透過した排気ガス９のみが下流側へ排出されるようにしてある。

しかも、このパティキュレートフィルタ１３には、排気空燃比がリーンの時に排気ガス９中のＯ₂を一時的に吸蔵し且つ排気空燃比がリッチの時にＯ₂を放出する性質を備えた酸素吸蔵物質であるセリア（ＣｅＯ₂）と、該セリアから放出されたＯ₂を触媒作用により活性酸素種（Reactive Oxygen Species：ROS、より具体的には、スーパーオキシドアニオンラジカル、ヒドロキシルラジカル、過酸化水素、一重項酸素）とする酸化銀（Ａｇ₂Ｏ）とを混合した混合物を担持させている。

ここで、酸素吸蔵物質としては、セリア、ジルコニア、チタニアのうちの少なくとも一種類以上を採用すれば良く、また、金属触媒としては、酸化銀、酸化鉄、酸化銅のうちの少なくとも一種類以上すれば良いが、本形態例のように、酸素吸蔵物質としてセリアを選定し且つ金属触媒として酸化銀を選定して組み合わせた際に最も良好な結果が得られることが確認されている。

更に、フィルタケース１２内におけるパティキュレートフィルタ１３の直前位置には、ハニカム構造を有するフロースルー型の酸化触媒１４が収容されており、該酸化触媒１４とパティキュレートフィルタ１３との間に、排気ガス９の温度を測定する温度センサ１５が装備され、該温度センサ１５の温度信号１５ａが制御装置１６に対し入力されるようになっている。

また、フィルタケース１２の入側には、燃料添加手段として燃料添加ノズル１７が貫通装着されており、該燃料添加ノズル１７には、燃料タンク１８から供給ポンプ１９及び燃料添加弁２０を介して燃料が送給されるようになっていて、前記制御装置１６からの制御信号１９ａ，２０ａにより前記供給ポンプ１９及び燃料添加弁２０が制御されて前記燃料添加ノズル１７から排気管１１内に燃料が断続的に添加されるようになっている。

即ち、制御装置１６の燃料添加制御によって、図２にグラフで示す如く、排気ガス９中の空燃比（Ａ／Ｆ）が交互にリッチとリーンを繰り返すように燃料添加が制御されるようになっている。

ここで、前記燃料添加ノズル１７の設置箇所より上流の排気管１１と、フィルタケース１２の出側のテールパイプ１１’には、排気ガス９中の空燃比を検出する空燃比センサ２１，２２が夫々装備されており、該各空燃比センサ２１，２２の検出信号２１ａ，２２ａに基づき前記制御装置１６による燃料添加が適切に制御されるようになっている。

即ち、上流側の空燃比センサ２１の検出信号２１ａに基づき、現状の空燃比に対してどの程度の添加燃料を追加すれば酸素吸蔵物質からＯ₂が放出する空燃比にできるかが算出されて燃料添加量が過不足のないように制御されると共に、下流側の空燃比センサ２２の検出信号２２ａに基づき、空燃比が結果として制御値となっているか否かがフィードバックされて燃料添加量が補正されるようになっている。

また、前記温度センサ１５により酸化触媒１４とパティキュレートフィルタ１３との間で測定される排気温度は、前記パティキュレートフィルタ１３の床温度の代用値として検出されており、この温度に基づき不活性低温域での無駄な燃料添加や、パティキュレートフィルタ１３の過昇温が回避されるようにもなっている。

尚、図１中における２３は未反応のままパティキュレートフィルタ１３を通過した余剰の炭化水素を酸化処理して車外へ排出されないようにするための酸化触媒、２４は排気マニホールド１０から排気ガス９の一部を抜き出して吸気マニホールド７の入口に再循環するＥＧＲパイプを示している。

而して、パティキュレートフィルタ１３の強制再生を行う必要が生じた際に、燃料添加ノズル１７により断続的に燃料添加を行うと、その燃料添加を休止している間の排気空燃比がリーンとなり、その燃料添加を実行している間の排気空燃比がリッチとなるので（図２参照）、パティキュレートフィルタ１３に担持されているセリアでＯ₂の吸蔵と放出が交互に繰り返され、該セリアから放出されたＯ₂が酸化銀の表面で触媒作用により強い酸化力を持つ活性酸素種となり、該活性酸素種により捕集済みパティキュレートの酸化反応が著しく促進されて従来よりも低い約２７０〜３５０℃の床温度からパティキュレートフィルタ１３の強制再生が開始される。

従って、上記形態例によれば、燃料添加ノズル１７によりパティキュレートフィルタ１３の入側の排気管１１内に燃料を断続的に添加することによって、パティキュレートフィルタ１３に担持されたセリアにＯ₂の吸蔵と放出を交互に行わしめ、その放出されたＯ₂を酸化銀の表面で触媒作用により強い酸化力を持つ活性酸素種とし、この活性酸素種により捕集済みパティキュレートの酸化反応を著しく促進して従来（約６５０℃）よりも大幅に低い約２７０〜３５０℃の床温度からパティキュレートフィルタ１３の強制再生を開始することができるので、パティキュレートフィルタ１３の再生温度の大幅な低温化を実現することができ、排気温度の低い運転状態が長く続いてしまうような運行形態の車両であっても添加燃料のコストを大幅に削減することができる。

また、特に本形態例においては、パティキュレートフィルタ１３と燃料添加ノズル１７との間に酸化触媒１４を介装しているので、燃料添加ノズル１７による燃料添加で生じた高濃度の炭化水素の一部を酸化触媒１４を通過する間に酸化反応させ、その反応熱で昇温した排気ガス９の流入により直後のパティキュレートフィルタ１３の床温度を上げることができ、これにより捕集済みパティキュレートの酸化反応を助勢することができる。

尚、本発明の排気浄化装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

９排気ガス
１１排気管
１３パティキュレートフィルタ
１４酸化触媒
１７燃料添加ノズル（燃料添加手段）

Claims

排気管途中にパティキュレートフィルタを装備した排気浄化装置において、排気空燃比がリーンの時に排気ガス中のＯ₂を一時的に吸蔵し且つ排気空燃比がリッチの時にＯ₂を放出する性質を備えた酸素吸蔵物質と、該酸素吸蔵物質から放出されたＯ₂を触媒作用により活性酸素種とする金属触媒とを混合した混合物を前記パティキュレートフィルタに担持させ、該パティキュレートフィルタの入側の排気管内に燃料を断続的に添加し得る燃料添加手段を設けたことを特徴とする排気浄化装置。
酸素吸蔵物質がセリア、ジルコニア、チタニアのうちの少なくとも一種類以上であり、金属触媒が酸化銀、酸化鉄、酸化銅のうちの少なくとも一種類以上であることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
酸素吸蔵物質としてセリアを選定し且つ金属触媒として酸化銀を選定して組み合わせたことを特徴とする請求項１又は２に記載の排気浄化装置。
パティキュレートフィルタと燃料添加手段との間に酸化触媒を介装したことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の排気浄化装置。