JP4351091B2 - 排気ガス浄化システム - Google Patents

Description

この発明は，エンジン，特に，ディーゼルエンジンから排出される排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯ_X ）を還元反応させると共に粒子状物質（ＰＭ）を酸化反応させて排気ガスを浄化する排気ガス浄化システムに関する。

エンジン，特に，ディーゼルエンジンは，軽油，天然ガス，重油等を燃料としてディーゼル燃焼させるものであるが，シリンダ内に導入した空気をピストンで圧縮し，高温高圧の空気に燃料を噴射して燃焼させるものである。従って，ディーゼルエンジンは，極めて短い時間に燃料と空気とを混合させなければならず，燃料と空気との均一な混合が難しく，燃料が過濃となった部分を中心に粒子状物質（ＰＭ）が多く発生する。ディーゼルエンジンは，空気と燃料との混合が悪いため，理論空燃比で燃焼させることが難しく，空気過剰率になって排気ガス中には燃焼に寄与しなかった多くの酸素が存在している。従って，ディーゼルエンジンは，排気ガス中に多くの酸素が存在しているため，ガソリンエンジンに用いられるＮＯ_X を低減する三元触媒方式による排気ガス浄化装置を用いることができない。そこで，ディーゼルエンジンでは，上記の有害物質を含む排気ガスを浄化するため，燃料噴射圧力を高圧化し，短時間に均一な混合気を生成させる試みが行われているが，ガソリンエンジンに比較すると，排気ガスには有害物質が多く含まれている。

一方，排気ガスを浄化するため，ＮＯ_X に関してアンモニアを用いる脱硝システムが知られている。該脱硝システムは，車両では安全な尿素水を用いて，後処理装置によって尿素からアンモニアを生成し，そのアンモニアによりＮＯ_X の酸素を還元する選択還元システムが有効である。しかしながら，該ＮＯ_X 浄化システムは，燃料以外の物質を定期的に補給する必要があり，エンジンを搭載した車両では，燃料以外の物質を補給するためのシステム，即ちインフラが必要であって実用化が困難であり，しかも装置そのものも高価なものになるという問題がある。また，車両用の排気ガス浄化装置として，アンモニアの代わりに軽油を還元剤として用いるＮＯ_X 低減装置の開発が行われているが，装置そのものが複雑になるわりにはＮＯ_X 低減率が低く，実用化されていないのが現状である。

また，排気ガス浄化装置では，排気ガス中のＮＯ_X を低減すると共に，粒子状物質（ＰＭ）を低減することが重要である。排気ガス中のＰＭを低減する排気ガス浄化装置は，各種のものが実用化されており，代表的なものとしてコージライト製ハニカムを互い違いに目封した構造に形成し，ハニカム構造体の壁面でＰＭを捕集し，壁面に担持している触媒によって燃焼させるものが知られている。しかしながら，ディーゼルエンジンでは，ガソリンエンジンに比較して排気ガス温度が低温であるため，排気ガス温度が触媒活性温度域に上がる頻度が少なく，触媒によりＰＭを浄化することが不十分であり，ハニカム構造体の詰まり現象が発生するトラブルがある。一般に，ディーゼルエンジンでは，触媒を用いて連続してＰＭを燃焼させて排気ガスを浄化する排気ガス浄化装置は，排気ガスが高温である高速走行では良好であるが，排気ガスが低温になる市街地走行ではハニカム構造体の詰まりによるトラブルが発生するのが現状である。

また，排気ガス浄化装置として，セラミックスフイルタでＰＭを捕集し，捕集したＰＭを定期的に電気エネルギを用いて強制的に燃焼させるシステムが実用化されているが，装置そのものが複雑で高価なため，多くの車両に安価に搭載することが難しいのが現状である。また，ディーゼルエンジンでは，後処理装置に要求される特性は，ＮＯ_X とＰＭとの両方とも低減できる装置であり，一方のみが低減されても実用上は好ましくなく，排気ガス浄化装置として採用することは好ましくない。排気ガス浄化装置では，ＮＯ_X とＰＭとを同時に低減する装置としては，触媒を担持させたコージライト製ハニカム構造体の表面にＰＭとＮＯ_X を吸着させ，瞬間的に燃料を過濃にしてＮＯ_X を還元し，同時にＰＭも燃焼させるシステムが開発されているが，エンジンの制御が複雑になり，多種多様の使用状態では，ＰＭによる詰まり現象が発生し，試験的に販売されているに留まっているのが現状である。

従来，ディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置として，粒子状物質やＮＯ_X を低減するものが知られている。該排気ガス浄化装置は，ディーゼルエンジンの排気通路の途中に，排気ガスの流れに対し，上流側から酸化触媒，排気ガス中の微粒子を捕集するパティキュレートフイルタ及びＮＯ_X 触媒を直列に設けると共に，パティキュレートフイルタとＮＯ_X 触媒との間に，排気ガス中のＮＯ_X を還元するための添加剤を噴射する添加装置を設けたものである（例えば，特許文献１参照）。

また，浄化機能を運転条件によらずに再生させる排気ガス浄化装置が知られている。該排気ガス浄化装置は，基幹通路，該基幹通路に接続された環状通路と，基幹通路と環状通路との接続部分に設けられ且つ排気ガスの経路を変更するための切替弁を含む経路変更部とを備えている。環状通路には，排気ガス中に含まれる含炭素微粒子とＮＯ_X とを浄化する浄化部が設けられ，下流側の部分基幹通路には，排気ガス中に含まれるＮＯ_X を浄化する浄化部が設けられている。浄化ユニットは，２つの浄化部の浄化機能を再生させるための還元剤を部分環状通路内に供給する還元剤噴射ノズルを備えている（例えば，特許文献２参照）。
特開２０００−１９９４２３号公報 特開２００３−４１９２７号公報

しかしながら，従来の排気ガス浄化装置は，構造そのもの，制御システム等が複雑であったり，また，複雑な構造であるため製造が容易ではなく，製造コストが高価である等の問題を有していた。

この発明の目的は，上記の問題を解決するため，エンジンからの排気ガスを排出する排気通路に容易に取り付けることができるものであり，一体構造のキットに構成され，新車のエンジン又は既存車のエンジンの排気管にも容易に取り付けることができ，ＮＯ_X 還元に必要な還元剤として燃料タンクから炭化水素系燃料を取り出し，該炭化水素系燃料を排気ガス温度と排気ガス中に含まれるＮＯ_X 濃度に適した燃料流量だけＮＯ_X 還元触媒の上流の噴射弁から排気通路に噴射してＮＯ_X を還元浄化すると共に，ＮＯ_X 還元触媒の後流に順次設けた２種の酸化触媒で排気ガス中に含まれる粒子状物質（ＰＭ）を酸化反応させて排気ガスを浄化させる排気ガス浄化システムを提供することである。

この発明は，エンジンから排気通路を通じて排出される排気ガスに含まれる有害物質を反応除去して前記排気ガスを浄化する排気ガス浄化システムにおいて，
前記排気通路における上流側に配置されて排気ガス中のＮＯ_X を還元反応させるＮＯ_X 還元触媒，前記ＮＯ_X 還元触媒の下流側に順次配置されて排気ガス中の粒子状物質を酸化反応させる２種類の酸化触媒，前記排気通路における前記ＮＯ_X 還元触媒の上流に配置されてＮＯ_X と反応させる炭化水素系燃料を前記排気通路に噴射する噴射弁，並びに排気ガス温度，排気ガス流量及びＮＯ_X 濃度の情報に応答して前記噴射弁の噴射量を制御するコントローラを有し，
前記ＮＯ _X 還元触媒は，セラミックス製又は金属製ハニカム構造体，或いはセラミックス製繊維又は金属製ワイヤをランダムに重ねたり編んだりして構成され，前記ＮＯ _X 還元触媒には，前記炭化水素系燃料によるＮＯ _X 選択還元を行うため少なくとも銀及び／又はコバルトの触媒が担持されているか，或いはＺｎ−Ｇａ−Ａｌ−Ｏのスピネル構造を有する触媒が担持されており，
前記２種類の酸化触媒は，少なくとも未燃燃料やＳＯＦの粒子状物質を酸化反応させるセラミックス製又は金属製ハニカム構造体と，少なくともスートの粒子状物質を捕集して酸化反応させるセラミックス製繊維又は金属製ワイヤをランダムに重ねたり編んだりしたフイルタ触媒とから構成され，前記ハニカム構造体は前記フイルタ触媒の上流に配置されており，前記ハニカム構造体には白金，パラジウム，マンガン，銅及びニッケルの少なくとも１種の酸化触媒が担持され，前記フイルタ触媒にはカリウム，リチウム，ナトリウム等のアルカリ金属類及びその化合物の少なくとも１種の酸化触媒が担持されており，
前記フイルタ触媒は，前記排気ガスの多数の出口を周壁に備えた出口通路を構成する中央筒体，前記中央筒体の前記出口間で外周側にそれぞれ配設された多数の板状フイルタから成るフイルタ部材，及び前記フイルタ部材の上流側と下流側とに配設され前記排気ガスを前記上流側から前記下流側へガイドするため前記中央筒体にそれぞれ支持されたガイド仕切板から構成され，
前記コントローラは，前記排気ガス流量を前記排気通路に設けられた絞り又はノズルの部位で得られた圧力差と温度センサによる前記排気ガス温度とから求め，前記排気ガス流量に前記ＮＯ _X 濃度を乗じてＮＯ _X 排出質量を求め，前記ＮＯ _X 排出質量に対応した予め決められた所定の流量の前記炭化水素系燃料を前記噴射弁から噴射する制御をすることを特徴とする排気ガス浄化システムに関する。

前記ＮＯ_X 濃度の情報は，前記排気通路に配置されたＮＯ_X 濃度センサにより検出されたＮＯ_X 濃度，又はエンジン回転速度と負荷とを基にして予測されたＮＯ_X 排出量によるＮＯ_X 濃度としたものである。

前記コントローラは，前記ＮＯ_X 還元触媒の上流と下流の前記排気通路にそれぞれ配置されたＮＯ_X 濃度センサによるＮＯ_X 濃度によって得られたＮＯ_X 低減量に応答して前記噴射弁からの前記炭化水素系燃料の噴射量を制御する。

前記コントローラは，温度センサで測定された前記排気ガス温度が予め決められた所定の排気ガス温度以上である状態が予め決められた所定の時間以上経過したことに応答して前記噴射弁から前記炭化水素系燃料を噴射し，前記噴射弁からの前記炭化水素系燃料の噴射は，前記所定の排気ガス温度以下に低下して前記所定の時間経過後に停止させる制御をする。

前記コントローラは，前記エンジンが自然吸気タイプである場合に，回転速度と排気量とから吸入空気量を算出し，前記吸入空気量に前記ＮＯ_X 濃度を乗じて算出されたＮＯ_X 排出質量に対して，前記噴射弁から前記炭化水素系燃料を予め決められた所定の割合の噴射量だけ噴射させる制御をする。

前記コントローラは，前記エンジンが過給機付きタイプである場合に，回転速度及び前記過給機の下流の吸気温度及び／又は排気ガス圧力と排気量とから吸入空気量を算出し，前記吸入空気量に前記ＮＯ_X 濃度を乗じて算出されたＮＯ_X 排出質量に対して，前記噴射弁から前記炭化水素系燃料を予め決められた所定の割合の噴射量だけ噴射させる制御をする。

前記コントローラは，前記排気ガス温度に応答して前記ＮＯ_X 排出質量に対する前記噴射弁から噴射される前記炭化水素系燃料の質量の比率を制御する。

前記コントローラは，最上流又は少なくとも前記フイルタ触媒の上流に設けられた圧力センサによる排気ガス圧，圧力差及び前記排気ガス温度から算出された前記排気ガス流量から詰まり状態を判定し，予め決められた温度域で前記噴射弁から前記炭化水素系燃料を噴射し，触媒領域の温度又は前記排気ガス温度を上昇させる制御をする。

前記コントローラは，前記触媒の上下流で設けられた温度センサによる温度差と前記噴射弁からの前記炭化水素系燃料の噴射量とから燃焼状態を確認し，燃焼状態でないことを確認すると，前記噴射弁からの前記炭化水素系燃料の噴射を停止させる制御をする。

この排気ガス浄化装置は，上記のように構成されているので，構造そのもの及び制御そのものが簡単であって，既存車のエンジンや新車のエンジンの排気通路に対して容易に組み込むことができ，コントローラが排気ガス温度，排気ガス流量及びＮＯ_X 濃度の情報に応答して排気ガス中に含まれるＮＯ_X の還元剤である炭化水素系燃料を燃料タンクから分流させて適正な流量だけ噴射弁より噴射し，ＮＯ_X を還元すると共に，ＮＯ_X 触媒の後流に設けた２種の酸化触媒で排気ガス中に含まれる未燃燃料，ＳＯＦ，カーボン，スート等の粒子状物質（ＰＭ）を酸化反応させて排気ガスを浄化する。

以下，図面を参照して，この発明による排気ガス浄化システムの一実施例を説明する。この排気ガス浄化システムは，例えば，自動車のエンジン，特にディーゼルエンジンから排出される排気ガスを浄化するのに適用される。この排気ガス浄化システムは，エンジンから排気管等の排気通路１８を通じて排出される排気ガスに含まれるＮＯ_X （窒素酸化物）を還元反応させると共に，ＰＭ（粒子状物質）を酸化反応させて排気ガスを浄化するものであり，排気通路１８の適宜の場所，例えば，マフラの上流側又は下流側の排気通路１８に，一体構造のキット等として容易に組み込むことができるものである。

この排気ガス浄化システムは，特に，エンジンから排気通路１８を通じて排出される排気ガスに含まれる有害物質を反応除去して排気ガスを浄化するものであり，排気通路１８における上流側のＮＯ_X 還元触媒２０，及びＮＯ_X 還元触媒２０の下流側の２種の酸化触媒としての酸化触媒１４とフイルタ触媒２１（図１），３４（図２），３５（図３）から成る総計で３種類の触媒を排気通路１８に直列に配置し，ＮＯ_X 還元触媒２０の上流にＮＯ_X と反応させる還元剤としての炭化水素系燃料を噴射する噴射弁２２を配置したことを特徴としている。特に，コントローラ３０は，排気ガス温度，排気ガス流量及びＮＯ_X 濃度の情報に応答して噴射弁２２からの炭化水素系燃料の適正な噴射量を制御し，排気ガス中のＮＯ_X を還元すると共に，ＰＭを酸化反応させて排気ガスを浄化することを特徴とする。ＮＯ_X 還元触媒２０は，排気ガス中のＮＯ_X を還元反応させて排気ガスを浄化する。以下に説明する各実施例では，２種類の酸化触媒１４は，酸化触媒１４とフイルタ触媒２１，３４又は３５とを一体型の構造に構成したものでもよく又は別体型の構造に構成したものでもよいことは勿論である。酸化触媒１４は，少なくとも未燃燃料，ＳＯＦ（可溶性有機成分）等の粒子状物質を酸化反応させて排気ガスを浄化するものであり，大部分のスートを通過させる構造である。また，フイルタ触媒２１，３４，３５は，少なくともスート（すす）等の粒子状物質を捕集してそこで時間をかけて酸化反応させて排気ガスを浄化するものである。

図１を参照して，この発明による排気ガス浄化システムの第１実施例を説明する。第１実施例では，この排気ガス浄化システムは，排気通路１８に接続されるキットを構成する金属製ケース１，ケース１内に収容された上流側のＮＯ_X を還元反応させる機能を持つＮＯ_X 還元触媒２０，下流側に設けられた未燃燃料，ＳＯＦ等のＰＭを酸化反応させる機能を持つ酸化触媒１４，酸化触媒１４の下流側に設けられたスート等のＰＭを一旦捕集してそこで時間をかけて酸化反応させる機能を持つフイルタ触媒２１，ＮＯ_X 還元触媒２０の上流側の排気通路１８に設けたケース１の入口部４に配置された噴射弁２２，及び噴射弁２２の燃料噴射量を制御するためのコントローラ３０から構成されている。第１実施例では，ケース１の入口部４及び出口部９は，縮径に形成されているが，必ずしも縮径に形成することなく，排気通路１８の排気管のサイズに合わせた適正な形状に構成できることは勿論である。

ＮＯ_X 還元触媒２０の上流側の排気通路１８の入口部４には，排気ガス中のＮＯ_X の濃度を測定するＮＯ_X 濃度センサ２３，排気ガスの温度を測定する温度センサ２４，及び排気ガスの圧力値を測定するための圧力センサ２７が設けられている。また，ＮＯ_X 還元触媒２０の下流側の排気通路１８の出口部９には，温度センサ１９，絞り又はノズル１６の部位に差圧計５が設けられている。また，ＮＯ_X 濃度センサ２３とＮＯ_X 濃度センサ４４との差によってＮＯ_X 低減量が測定できる。また，回転センサ３３はエンジンに対して設けられ，車内モニタ３２は車内に設けられ，噴射弁２２に噴射される炭化水素系燃料の噴射量は，燃料噴射量センサ２６によって検出される。コントローラ３０には，ＮＯ_X 濃度センサ２３，温度センサ１９，２４，圧力センサ２７，差圧計５，回転センサ３３，車内モニタ３２及び燃料噴射量センサ２６からの各信号即ち情報が入力されるように構成されている。また，燃料ポンプ２５は，噴射弁２２に供給管３１を通じて送り込むように作動され，炭化水素系燃料は，車両の燃料タンク２８からエンジンへ燃料を供給する燃料配管４２から分岐管２９によって分岐された供給管３１を通じて噴射弁２２に供給される。第１実施例では，フイルタ触媒２１としてはセラミックスや金属材料から成るハニカム構造体で構成されている。図１では，噴射弁２２が設けられた排気通路１８の領域が縮径に形成されているが，必ずしも縮径である必要はなく，ケース１や排気管を考慮したサイズに形成されてもよいものである。

この排気ガス浄化システムでは，ＮＯ_X 還元触媒２０は，銀及び／又はコバルトの触媒が担持されているか，或いはＺｎ−Ｇａ−Ａｌ−Ｏのスピネル構造を有する触媒が担持されているものである。また，酸化触媒１４は，例えば，セラミックス製又は金属製ハニカム構造体であり，上流側の酸化触媒１４が金属製ハニカム２であり，Ｐｔ（白金），Ｐｄ（パラジウム），Ｍｎ（マンガン），Ｃｕ（銅），Ｎｉ（ニッケル）の少なくとも１種の触媒が担持されている。また，下流側のフイルタ触媒２１（図１），３４（図２）又は３５（図３）には，酸化触媒として，Ｋ（カリウム），Ｌｉ（リチウム），Ｎａ（ナトリウム）等のアルカリ金属類及びその化合物の少なくとも１種が担持されている。また，この排気ガス浄化システムでは，ＮＯ_X 還元触媒２０は，例えば，セラミックス製又は金属製ハニカム構造体，或いはセラミックス製繊維又は金属製ワイヤをランダムに重ねたり編んだりしたフイルタ構造体である。また，フイルタ触媒２１，３４又は３５は，例えば，セラミックス繊維又は金属製ワイヤをランダムに重ねたり編んだりしたフイルタ構造体又はセラミックス製ハニカムのウォールフロー構造体である。ウォールフロー構造体は，ハニカムの薄い壁を排気ガスが通り抜けて排気ガスを濾過するタイプのフイルタ構造体のことである。この排気ガス浄化システムでは，フイルタ触媒２１，３４又は３５を構成するフイルタ構造体は，表面積をアップさせ，厚みを低減したものがコンパクト化に好ましいので，例えば，円形多段構造，蛇腹状構造，金網をドーナツ状に巻き上げた構造，金網と波板とを複合させた構造，円盤型に巻き上げた構造等に構成することができる。また，ＮＯ_X 還元触媒２０，酸化触媒１４，及びフイルタ触媒２１，３４，３５を構成する材料は，鉄，クロム，アルミニウム，銅，亜鉛，錫，それらの合金が使用され，排気ガスに対する腐食等を避けるためには，アルミナ等で被覆することが好ましく，或いは，セラミックスを使用できるものである。

また，酸化触媒１４は，例えば，図６〜図８に示す構造のものを使用できる。酸化触媒１４は，図６に示すように，金属製ハニカム２によって作製されている。金属製ハニカム２は，図７及び図８に示すように，平らな薄い金属平板１０と，金属平板１０に重ねられた凹凸の波状に折り曲げられた薄い金属波板１１とを螺旋状に巻き上げて形成された構造を有している。酸化触媒１４は，金属平板１０と金属波板１１との表面にそれぞれ担持されている。金属平板１０と金属波板１１とは，具体的には，図８に示すように，主成分をＦｅ（鉄）としてＡｌ（アルミニウム）やＣｒ（クロム）を含有する合金からなる金属芯板１２，金属芯板１２の両面にコーティングされたＡｌ₂ Ｏ₃ （アルミナ）等から成る被覆層１３，及び被覆層１３に多数担持された酸化触媒１４から構成されている。金属芯板１２の両面には，アルミナ等の被覆層１３が被覆されているので，排気ガスによる腐食が防止され，金属芯板１２が，例えば，Ａｌを含有していると，アルミナとの結合が良好になる。また，酸化触媒１４は，金属芯板１２に直接ではなく，アルミナ等の被覆層１３に担持し易いものである。

この排気ガス浄化システムは，金属製ハニカム２に担持された酸化触媒１４が粒子状物質（ＰＭ）の酸化作用を効率的に達成し，しかも酸化触媒１４そのものを安価にして低コストに作製するため，酸化触媒１４のうちＰｔの含有量が適正値に設定されている。酸化触媒１４は，金属製ハニカム２の占める１リットルの体積に対する分散されたＰｔの重量ｇ（グラム）で表すとすると，金属製ハニカム２に担持されている酸化触媒１４のうちＰｔの含有量（ｇ／リットル）は，０．７０ｇ／リットル〜１．５０ｇ／リットルの範囲であり，酸化反応の機能上では，０．７５ｇ／リットル以上の範囲に調整されていることが好ましい。図９には，酸化触媒１４としてのＰｔの含有量に対する排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）の低減率に及ぼす影響が示されている。図９に示すように，酸化触媒１４としてのＰｔの含有量が０．６ｇ／リットル程度では，排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）の低減率が２０％以下であるので，Ｐｔの含有量が０．７０ｇ／リットル程度は含有されていることが必要である。また，酸化触媒１４のうちでＰｔの含有量が多い方が，排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）の酸化反応を低温領域でも確実に促進できるが，ある範囲以上になると，粒子状物質（ＰＭ）の酸化反応の低減率がほぼ横ばいになるので，Ｐｔが無駄になることになる。従って，Ｐｔの含有量は，多くても１．５０ｇ／リットルであれば，所定の粒子状物質（ＰＭ）の低減率を確保できることになる。従って，この排気ガス浄化装置では，金属製ハニカム２に担持された酸化触媒１４のうちＰｔの含有量は，０．７５ｇ／リットル〜１．４５ｇ／リットルの範囲に調整することが好ましい。

この排気ガス浄化システムは，上記の構成において，金属製ハニカム２を構成する金属平板１０と金属波板１１とは，板厚が０．０２５ｍｍ〜０．０３５ｍｍの範囲，好ましくは，０．０２６ｍｍ〜０．０３４ｍｍの範囲に設定されている。金属製ハニカム２の金属平板１０と金属波板１１の板厚を上記のように設定することにより，金属製ハニカム２中で粒子状物質（ＰＭ）が酸化反応する場合に，熱伝導が良好になり，熱容量を大幅に小さく構成でき，金属製ハニカム２の全体にわたって粒子状物質（ＰＭ）の酸化反応に最適の温度範囲が確保されると共に均一な温度分布が確保され，即ち，排気ガス温度は酸化反応温度に対する応答性を高くでき，粒子状物質（ＰＭ）の酸化反応を良好に行うことができる。また，金属製ハニカム２の芯板１２を上記のように薄肉に形成することにより，酸化触媒１４の表面積を大きく形成することができ，粒子状物質（ＰＭ）の酸化反応を促進できる。更に，金属製ハニカム２は，コージライト製ハニカムに比較して，板厚を薄く形成することができるので，排気ガス流れの圧力損失を小さくできる。金属製ハニカム２について，排気ガスが金属平板１０と金属波板１１とで形成される開口１７を通過することになるが，金属平板１０と金属波板１１の板厚が薄く形成されているので，排気ガスが通過する開口率，即ち，単位面積あたりの開口１７の数即ちセル数（開口数／ｃｍ² ）を大きく形成することができ，従って，排気ガスが触れる表面積が大きく形成できる。

図１０には，金属製ハニカム２のセル数が排気ガスの粒子状物質（ＰＭ）の低減率に及ぼす影響が示されている。この排気ガス浄化装置は，図１０に示すように，金属製ハニカム２のセル数は，４００セル〜６００セル，好ましくは，４５０セル〜５５０セルに形成することが好ましい。金属製ハニカム２のセル数を３００セル以下に設定すると，排気ガスが接する表面積が小さくなって排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）の低減率が下がり，また，金属製ハニカム２のセル数を６００セル以上に設定すると，排気ガスが接する表面積が大きくなって排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）の低減率は上がるが，その反面，排気ガス中のすすによる金属製ハニカム２の詰まり現象が発生し，好ましくない状態になる。従って，この排気ガス浄化装置は，金属製ハニカム２のセル数（開口数／ｃｍ² ）が４５０セル〜５５０セルに設定されている。

この排気ガス浄化システムは，上記のように構成されており，次のようにして排気ガスが浄化される。この排気ガス浄化システムでは，エンジンから排出されたＮＯ_X とＰＭを含んでいる排気ガスは，ＮＯ_X 還元触媒２０でＮＯ_X が還元剤としての炭化水素系燃料（ＨＣ）で還元され，Ｎ₂ ，ＣＯ₂ ，Ｈ₂ Ｏに分解される。次いで，ＮＯ_X が分解除去された排気ガスは，酸化触媒１４に送り込まれる。酸化触媒１４に送り込まれた排気ガスは，排気ガス中に含まれる粒子状物質（ＰＭ）である未燃燃料，ＳＯＦ等が酸化反応され，ＣＯ₂ やＨ₂ Ｏに分解される。更に，未燃燃料，ＳＯＦ等が酸化除去された排気ガスは，フイルタ触媒２１に送り込まれる。フイルタ触媒２１に送り込まれた排気ガスは，フイルタ触媒２１によって排気ガス中に含まれるスート，カーボン等のＰＭが一旦捕集され，そのＰＭはフイルタ触媒２１において時間をかけて酸化反応してＣＯ₂ やＨ₂ Ｏに分解され，排気ガスが浄化される。

次に，図２を参照して，この発明による排気ガス浄化システムの第２実施例を説明する。第２実施例では，酸化触媒１４の後流に配置されたフイルタ触媒３４が繊維フイルタで構成されている以外は，第１実施例の排気ガス浄化システムと同様である。フイルタ触媒３４は，酸化触媒が担持された金属線やセラミックス繊維がランダムに重ねたり編んだりして絡みあったものであり，排気ガス中のスート等のＰＭを捕集できる構造である。フイルタ触媒３４の外周側から流入し，酸化触媒が担持されたフイルタ触媒３４によって排気ガス中のＰＭが一旦捕集され，内周側の中央筒体３９の出口通路４３へと排出される。即ち，フイルタ触媒３４の捕集されたＰＭは，時間をかけて酸化触媒の作用で酸化反応し，排気ガスが浄化される。フイルタ触媒３４によって捕集されたＰＭは，フイルタ触媒３４に一旦留まるが，時間をかけて酸化反応され，ＣＯ₂ とＨ₂ Ｏに分解され，排気ガスが浄化される。

また，図３を参照して，この発明による排気ガス浄化システムの第３実施例を説明する。第３実施例では，酸化触媒１４の後流に配置されたフイルタ触媒３５が多数の板体から成る板状フイルタで構成されている以外は，第１実施例の排気ガス浄化システムと同様である。図４には，フイルタ触媒３５の構造の一部を示す一例が示されている。フイルタ触媒３５は，繊維や金網から成る酸化触媒を担持した多数のフイルタ部材３６，排気ガスの多数の出口４１を周壁に備えた出口通路４３を構成する中央筒体３９，及びフイルタ部材３６を支持する上流側の小径のガイド仕切板３８と下流側の大径の支持ガイド仕切板３７から構成されている。フイルタ部材３６は，中央筒体３９の出口４１間で外周側にそれぞれ配設されている。ガイド仕切板３７，３８は，前記フイルタ部材３６の上流側と下流側とに配設され排気ガスを上流側から下流側へガイドするため中央筒体３９にそれぞれ支持されている。従って，排気ガスは，ケース１の外周とガイド仕切板３８との間に形成される入口４０からフイルタ部材３６を通過し，次いで支持ガイド仕切板３７にガイドされて中央筒体３９に設けられた出口４１から出口通路４３へと流される。その時，排気ガス中に含まれるスート等のＰＭは，フイルタ触媒３５のフイルタ部材３６に一旦捕集され，フイルタ触媒３５で酸化触媒の作用で時間をかけて酸化反応してＣＯ₂ とＨ₂ Ｏに分解され，排気ガスが浄化される。

図５を参照して，この発明による排気ガス浄化システムの第４実施例を説明する。第４実施例では，ＮＯ_X 還元触媒２０の上流側の排気通路１８に組み込まれたケース３内に，排気ガス中の未燃燃料，ＳＯＦ等の有害物質を酸化させる酸化触媒を有する酸化反応器１５が配置されている以外は，第１実施例の排気ガス浄化システムと実質的に同様である。ケース３は，キットとしてケース１と一体構造に構成されても良いことは勿論である。第４実施例では，酸化反応器１５を通る排気ガス中から未燃燃料，ＳＯＦ等の有害物質が除去されることによって，ＮＯ_X 還元触媒２０でのＮＯ_X の還元反応が良好に行われ，ＮＯ_X がＮ₂ ，ＣＯ₂ ，Ｈ₂ Ｏに分解され，排気ガスが浄化される。図５の第４実施例は，第１実施例に示すＮＯ_X 還元触媒２０の上流側に酸化反応器１５を設けたものであるが，酸化反応器１５は第２実施例及び第３実施例のものにも同様に取り付けることもできることは勿論である。

図１〜図３及び図５に示す排気ガス浄化システムについて，ケース１の後流には，排気通路１８に絞りやノズル１６を設け，上流側の排気通路１８にパイプ６を接続してパイプ６に排気ガス圧を測定する上流側の圧力センサ２７を設け，また，排気通路１８の下流側のノズル１６の部位にパイプ７を接続してパイプ７に排気ガス圧を測定する下流側圧力センサを設けて上流側圧力センサと下流側圧力センサとで検出された圧力の差圧を検出する差圧計５が設けられている。また，フイルタ触媒２１，３４又は３５の下流の出口部９の排気通路１８には，温度センサ１９，ＮＯ_X 濃度センサ４４及び差圧計５が設けられている。

この排気ガス浄化システムは，特に，コントローラ３０によって次のようにして制御され，排気ガス中に含まれるＮＯ_X が還元除去され，ＰＭが酸化除去され，排気ガスが浄化される。この排気ガス浄化システムは，排気通路１８における上流側に配置されたＮＯ_X 還元触媒２０とＮＯ_X 還元触媒２０の下流側に配置された２種類の酸化触媒１４及びフイルタ触媒２１，３４又は３５から成るケース１内に直列に配置された３種類の触媒から構成され，特に，コントローラ３０は，排気通路１８における触媒の上流に配置されたＮＯ_X と反応させる炭化水素系燃料（ＨＣ）を噴射する噴射弁２２及び排気ガス温度とＮＯ_X 濃度との情報に応答して噴射弁２２の噴射量を制御することを特徴としている。ＮＯ_X 濃度の情報は，ＮＯ_X 還元触媒２０の上下流に配置されたＮＯ_X 濃度センサ２３，４４により検出されたＮＯ_X 濃度，又はエンジン回転速度と負荷とを基にして予測されたＮＯ_X 排出量によるＮＯ_X 濃度で決められる。これらの情報は，コントローラ３０に送り込まれ，噴射弁２２から排気通路１８に噴射されるＨＣの流量が決定される。

コントローラ３０は，排気ガス流量を触媒の上流又は下流の排気通路１８に設けられた絞り又はノズル１６が出口部９の部位に形成されており，ノズル１６で得られた圧力差と排気ガス温度とから排気ガス流量を決定し，該排気ガス流量にＮＯ_X 濃度を乗じてＮＯ_X 排出質量を求め，ＮＯ_X 排出質量に対応した予め決められた所定の流量の炭化水素系燃料（ＨＣ）を噴射弁２２から噴射する制御をするように構成されている。また，コントローラ３０は，排気ガスの温度センサ２４で測定された排気ガス温度が予め決められた所定の排気ガス温度以上である状態が予め決められた所定の期間以上であることに応答して噴射弁２２から燃料を噴射し，また，噴射弁２２からの燃料噴射は所定の排気ガス温度以下に低下して所定の時間経過後に停止させる制御をするように構成されている。

この排気ガス浄化システムは，エンジンが自然吸気タイプに構成されている場合に，コントローラ３０は，回転速度と排気量とから吸入空気量を算出し，吸入空気量にＮＯ_X 濃度を乗じて算出されたＮＯ_X 排出質量に対して，噴射弁２２から予め決められた所定の割合の噴射量を噴射させる制御をするように構成されている。また，前記エンジンが過給機付きタイプに構成されている場合に，コントローラ３０は，回転速度及び過給機の下流の吸気温度及び／又は排気ガス圧と排気量とから吸入空気量を算出し，吸入空気量にＮＯ_X 濃度を乗じて算出されたＮＯ_X 排出質量に対して，噴射弁２２から予め決められた所定の割合の噴射量を噴射させる制御をするように構成されている。

コントローラ３０は，上記の触媒の上流又は下流の排気通路１８に，上記のような出口部９にノズル１６や絞り等を設け，絞りで得られた圧力差と排気ガス温度センサ２４による排気ガス温度から排気ガス流量を算出し，排気ガス流量にＮＯ_X 濃度を乗じて算出されたＮＯ_X 排出質量に対して，噴射弁２２から炭化水素系燃料の予め決められた所定の割合の噴射量を噴射させる制御をするように構成されている。また，コントローラ３０は，排気ガス温度に応答してＮＯ_X 排出質量に対する噴射弁２２から噴射される燃料質量の比率を制御するように構成されている。

この排気ガス浄化システムは，ＮＯ_X 還元触媒２０の上流と下流の排気通路１８にＮＯ_X 濃度センサ２３，４４がそれぞれ配置され，それらからの情報を受けてコントローラ３０は，ＮＯ_X 濃度センサ２３，４４によるＮＯ_X 濃度の差から得られたＮＯ_X 低減量に応答して噴射弁２２からの炭化水素系燃料（ＨＣ）の噴射量を制御することができる。また，ＮＯ_X 還元触媒２０には，炭化水素によるＮＯ_X 選択還元を行うため少なくとも２種類の触媒が担持されている。

コントローラ３０は，各触媒より上流の最上流又は少なくともフイルタ触媒２１，３４又は３５の上流に設けた圧力センサ２７による排気ガス圧，差圧計５による圧力差及び温度センサ１９，２４による排気ガス温度から算出された排気ガス流量から詰まり状態を判定し，予め決められた温度域で噴射弁２２から炭化水素系燃料を噴射し，触媒領域の温度又は排気ガス温度を上昇させる制御をするように構成されている。また，コントローラ３０は，触媒１４，２０，２１，３４又は３５の上下流で設けられた温度センサ１９，２４による温度差と噴射弁２２からの噴射量とから炭化水素系燃料の燃焼状態を確認し，燃焼状態が確認できない時には，噴射弁２２からの炭化水素系燃料の噴射を停止する制御をするように構成されている。

この排気ガス浄化システムは，エンジンが作動し，排気ガス温度が既定値以上になると，噴射弁２２から燃料がケース１内に噴射される。噴射弁２２から噴射される炭化水素系燃料の噴射量は，噴射量を最も有効に活用できるようにコントローラ３０によって制御される。従って，コントローラ３０は，エンジンから排出される排気ガスに含まれるＮＯ_X の排出量に対して決められた割合の炭化水素系燃料をＮＯ_X 還元触媒２０の上流の排気通路１８に噴射するように制御する。そのために，この排気ガス浄化システムでは，リアルタイムでＮＯ_X の排出量がコントローラ３０によって演算される。この排気ガス浄化システムでは，コントローラ３０は，ＮＯ_X 濃度センサ２３を用いてＮＯ_X 濃度を計測し，エンジンの回転速度と排気量によって吸気空気量を計算し，その値にＮＯ_X 濃度を乗じてＮＯ_X の排出量を算出するように構成されている。

また，噴射弁２２から噴射した燃料は，排気ガスと混合して気化し，ＮＯ_X 還元触媒２０に流入する。ＮＯ_X 還元触媒２０内では，ＮＯ_X の還元反応は複雑であるが，炭化水素系燃料は，多数の種類の炭化水素，例えば，メタン列，エチレン列，アセチレン列の鎖式炭化水素，及び芳香族，脂環式の環式炭化水素からなっているので，ここでは説明を簡単化するため，これらをＨＣで示すものとする。排気ガス中のＮＯ_X は，ＨＣによって酸素が奪われてＮとなり，Ｎは２個集まりＮ₂ になって安定し，ＮＯ_X は還元される。この時，Ｏは，Ｈと反応してＨ₂ Ｏになり，また，Ｃは，酸化されてＣＯ₂ 又はＣＯになる。また，排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）は，主成分が炭素Ｃであり，排気ガスが酸化触媒１４，及びフイルタ触媒２１，３４又は３５を通過することによって，Ｃは酸化されてＣＯ₂ 又はＣＯになる。

また，噴射弁２２から噴射された燃料は，全部がＮＯ_X の還元剤として消費されるわけではなく，一部の燃料は排気ガスに含まれる酸素によって酸化されるが，残りの燃料はそのまま下流の酸化触媒１４に流入することになる。ＮＯ_X 還元触媒２０の下流の酸化触媒１４は，エンジンから排出された排気ガス中のＳＯＦと称される有機溶剤に溶けた成分と，ＮＯ_X 還元触媒２０で消費されずに残った未燃燃料とを酸化させる機能を有している。酸化触媒１４では，ＰＭの主成分であるすす（スート）は酸化反応されずに，下流に設置されたフイルタ触媒２１，３４又は３５で時間をかけて酸化反応即ち燃焼させて排気ガスを浄化する。エンジンから排出されるＰＭは，エンジンによってその成分が異なるが，一般的には，すすが６０％前後，ＳＯＦが３０％前後，その他は燃料中の硫黄が酸化されたＳＯ₂ 等である。一般に，ＳＯＦは，スート（すす）の外側に吸着されていると言われており，未燃燃料やオイル分でなり，比較的に粘性物である。スートの酸化速度は，ＳＯＦの酸化速度より比較的に遅いため，スートを有効に酸化させるためには，フイルタ触媒２１，３４又は３５で捕集して酸化させることが有効である。スートをフイルタ触媒２１，３４又は３５で捕集する場合には，スートのＰＭにＳＯＦ分が多く含まれていると，べたつき易く，フイルタ触媒２１，３４又は３５を詰まらせる原因になる。

この排気ガス浄化システムでは，フイルタ触媒２１，３４又は３５の上流側に，金属ワイヤ，金属板等のメッシュの粗いフイルタやハニカム構造体で構成した酸化触媒１４を設置してＳＯＦ分や未燃燃料を酸化反応させ，次いでＳＯＦ等が分解されたスート等をフイルタ触媒２１，３４又は３５に送り込むように構成されている。また，ＳＯＦの酸化反応に有効な触媒と，スートの酸化反応に有効な触媒とは異なっているため，それぞれの酸化触媒１４とフイルタ触媒２１，３４又は３５に使用する触媒として最適な触媒を選定し，それぞれの触媒を有効に作用させるため，所定以上の温度が必要であるが，その温度は排気ガスの温度のみで判断されるべきでなく，各触媒は排気ガスによって加熱され，冷却されるので，排気ガス温度のみが触媒活性温度に達しても，触媒表面が所定の温度に達していなければ触媒は有効に作用しない。そこで，この排気ガス浄化システムでは，排気ガス温度を温度センサ２４で常に監視し，低温から上昇していく場合の燃料噴射開始温度は，触媒活性温度がある期間保持された後に，噴射弁２２から燃料の噴射を開始し，燃料噴射を停止する場合は，ある温度以下になった期間が経過した後とし，噴射燃料の無駄を最小限にすると共に，触媒の活性期間を有効に活用するように構成されている。

この発明による排気ガス浄化システムは，新車又は既存車の自動車用エンジン，特に，ディーゼルエンジンからの排気ガスが排出される排気通路に組み込んで使用される。

この発明による排気ガス浄化システムの第１実施例を示す断面図である。 この発明による排気ガス浄化システムの第２実施例を示す断面図である。 この発明による排気ガス浄化システムの第３実施例を示す断面図である。 図３に示すフイルタ触媒の一部を示す断面図である。 この発明による排気ガス浄化システムの第４実施例を示す断面図である。 この排気ガス浄化システムにおける酸化触媒の一例を示す断面図である。 図６の酸化触媒の作製工程を説明するための部分を示す断面図である。 図６の酸化触媒の線材の詳細を示す断面図である。 酸化触媒におけるＰｔの含有量に対する粒子状物質の酸化反応の関係を示すグラフである。 金属製ハニカムのセル数が排気ガスの粒子状物質の低減率に及ぼす影響を示すグラフである。

１，３ ケース
２ 金属製ハニカム
４ 入口部
５ 差圧計
１４ 酸化触媒
１５ 酸化反応器
１６ ノズル
１８ 排気通路
１９，２４ 温度センサ
２０ ＮＯ_X 還元触媒
２１，３４，３５ フイルタ触媒
２２ 噴射弁
２３，４４ ＮＯ_X 濃度センサ
２５ 燃料ポンプ
２６ 燃料噴射量センサ
２７ 圧力センサ
２８ 燃料タンク
３０ コントローラ
３３ 回転センサ

Claims (9)

1. エンジンから排気通路を通じて排出される排気ガスに含まれる有害物質を反応除去して前記排気ガスを浄化する排気ガス浄化システムにおいて，
   前記排気通路における上流側に配置されて排気ガス中のＮＯ_X を還元反応させるＮＯ_X 還元触媒，前記ＮＯ_X 還元触媒の下流側に順次配置されて排気ガス中の粒子状物質を酸化反応させる２種類の酸化触媒，前記排気通路における前記ＮＯ_X 還元触媒の上流に配置されてＮＯ_X と反応させる炭化水素系燃料を前記排気通路に噴射する噴射弁，並びに排気ガス温度，排気ガス流量及びＮＯ_X 濃度の情報に応答して前記噴射弁の噴射量を制御するコントローラを有し，
   前記ＮＯ _X 還元触媒は，セラミックス製又は金属製ハニカム構造体，或いはセラミックス製繊維又は金属製ワイヤをランダムに重ねたり編んだりして構成され，前記ＮＯ _X 還元触媒には，前記炭化水素系燃料によるＮＯ _X 選択還元を行うため少なくとも銀及び／又はコバルトの触媒が担持されているか，或いはＺｎ−Ｇａ−Ａｌ−Ｏのスピネル構造を有する触媒が担持されており，
   前記２種類の酸化触媒は，少なくとも未燃燃料やＳＯＦの粒子状物質を酸化反応させるセラミックス製又は金属製ハニカム構造体と，少なくともスートの粒子状物質を捕集して酸化反応させるセラミックス製繊維又は金属製ワイヤをランダムに重ねたり編んだりしたフイルタ触媒とから構成され，前記ハニカム構造体は前記フイルタ触媒の上流に配置されており，前記ハニカム構造体には白金，パラジウム，マンガン，銅及びニッケルの少なくとも１種の酸化触媒が担持され，前記フイルタ触媒にはカリウム，リチウム，ナトリウム等のアルカリ金属類及びその化合物の少なくとも１種の酸化触媒が担持されており，
   前記フイルタ触媒は，前記排気ガスの多数の出口を周壁に備えた出口通路を構成する中央筒体，前記中央筒体の前記出口間で外周側にそれぞれ配設された多数の板状フイルタから成るフイルタ部材，及び前記フイルタ部材の上流側と下流側とに配設され前記排気ガスを前記上流側から前記下流側へガイドするため前記中央筒体にそれぞれ支持されたガイド仕切板から構成され，
   前記コントローラは，前記排気ガス流量を前記排気通路に設けられた絞り又はノズルの部位で得られた圧力差と温度センサによる前記排気ガス温度とから求め，前記排気ガス流量に前記ＮＯ _X 濃度を乗じてＮＯ _X 排出質量を求め，前記ＮＯ _X 排出質量に対応した予め決められた所定の流量の前記炭化水素系燃料を前記噴射弁から噴射する制御をすることを特徴とする排気ガス浄化システム。
2. 前記ＮＯ_X 濃度の情報は，前記排気通路に配置されたＮＯ_X 濃度センサにより検出されたＮＯ_X 濃度，又はエンジン回転速度と負荷とを基にして予測されたＮＯ_X 排出量によるＮＯ_X 濃度としたことを特徴とする請求項１に記載の排気ガス浄化システム。
3. 前記コントローラは，前記ＮＯ_X 還元触媒の上流と下流の前記排気通路にそれぞれ配置されたＮＯ_X 濃度センサによるＮＯ_X 濃度によって得られたＮＯ_X 低減量に応答して前記噴射弁からの前記炭化水素系燃料の噴射量を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の排気ガス浄化システム。
4. 前記コントローラは，温度センサで測定された前記排気ガス温度が予め決められた所定の排気ガス温度以上である状態が予め決められた所定の時間以上経過したことに応答して前記噴射弁から前記炭化水素系燃料を噴射し，前記噴射弁からの前記炭化水素系燃料の噴射は，前記所定の排気ガス温度以下に低下して前記所定の時間経過後に停止させる制御をすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の排気ガス浄化システム。
5. 前記コントローラは，前記エンジンが自然吸気タイプである場合に，回転速度と排気量とから吸入空気量を算出し，前記吸入空気量に前記ＮＯ_X 濃度を乗じて算出されたＮＯ_X 排出質量に対して，前記噴射弁から前記炭化水素系燃料を予め決められた所定の割合の噴射量だけ噴射させる制御をすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の排気ガス浄化システム。
6. 前記コントローラは，前記エンジンが過給機付きタイプである場合に，回転速度及び前記過給機の下流の吸気温度及び／又は排気ガス圧力と排気量とから吸入空気量を算出し，前記吸入空気量に前記ＮＯ_X 濃度を乗じて算出されたＮＯ_X 排出質量に対して，前記噴射弁から前記炭化水素系燃料を予め決められた所定の割合の噴射量だけ噴射させる制御をすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の排気ガス浄化システム。
7. 前記コントローラは，前記排気ガス温度に応答して前記ＮＯ_X 排出質量に対する前記噴射弁から噴射される前記炭化水素系燃料の質量の比率を制御することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の排気ガス浄化システム。
8. 前記コントローラは，最上流又は少なくとも前記フイルタ触媒の上流に設けられた圧力センサによる排気ガス圧，圧力差及び前記排気ガス温度から算出された前記排気ガス流量から詰まり状態を判定し，予め決められた温度域で前記噴射弁から前記炭化水素系燃料を噴射し，触媒領域の温度又は前記排気ガス温度を上昇させる制御をすることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の排気ガス浄化システム。
9. 前記コントローラは，前記触媒の上下流で設けられた温度センサによる温度差と前記噴射弁からの前記炭化水素系燃料の噴射量とから燃焼状態を確認し，燃焼状態でないことを確認すると，前記噴射弁からの前記炭化水素系燃料の噴射を停止させる制御をすることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の排気ガス浄化システム。

Images