JP2003097251A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 フィルタの内外周間の温度差に起因する再生
度合の格差を是正し、もって、排気浄化性能を向上でき
る排気浄化装置を提供する。 【解決手段】 内周側触媒層４ａに比較して温度が低い
外周側触媒層４ｂに炭酸カリウム（Ｋ₂ＣＯ₃）を担持
し、炭酸カリウムが奏する燃焼開始温度の低下作用によ
り、外周側触媒層４ｂのパティキュレートの燃焼開始温
度を低下させて燃焼を開始するタイミングを早め、これ
によりＤＰＦ１の内外周でのパティキュレートの燃焼状
態のばらつきを是正する。

Description

【発明の詳細な説明】

【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）の排ガス中に含まれるパティキュレー
トをパティキュレートフィルタに捕集して焼却除去する
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から排出され
る排ガスには、炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（Ｃ
Ｏ）、窒素酸化物（ＮＯx）等のほかにパティキュレー
トが多く含まれており、このパティキュレートを処理す
るための後処理装置として、排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捕集する排気浄化装置
が提案されている。このような排ガス浄化装置では、捕
集したパティキュレートを焼却除去することによりフィ
ルタを再生して、継続的な浄化を可能としているが、パ
ティキュレートの焼却除去はフィルタ温度が所定以上の
運転領域に限られるため、パティキュレートが燃焼し始
める温度を低下させて、フィルタの再生効率を向上させ
る要望がある。

【０００３】そこで、例えば特開平２−１７９１１号公
報、特開平４−１４５９２６号公報に記載の技術では、
フィルタにアルカリ金属やアルカリ土類金属を担持させ
て、これらの材料が有する高い電気陰性度や電子供与性
を利用して、パティキュレートの燃焼開始温度の低下を
図っている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、パティキュ
レートフィルタ内の温度分布は外周側が低く内周側が高
いことが一般的に知られており、これはフィルタの外壁
面が外気に接して外周側から熱を奪われることや、内周
側に比較して外周側の排気流量が少ないことに起因して
いると考えられる。ところが、上記公報に記載の技術で
は、フィルタにアルカリ金属やアルカリ土類金属を単に
担持しただけのため、燃焼開始温度の低下作用はフィル
タの全範囲に及び、上記した内外周間の温度差に起因す
る再生度合の格差を是正することはできない。即ち、燃
焼開始温度の低下作用の恩恵を受けてフィルタの内周側
が燃焼を開始するときには、外周側は燃焼開始温度に未
だ達しないので、結果的に外周側での燃焼開始が遅れて
フィルタの再生度合に格差が生じ、ひいては排気浄化性
能が低下する問題を生じる。

【０００５】尚、パティキュレートフィルタ内の温度分
布に着目した従来技術として、特開平７−２５９５３４
号公報には、パティキュレートフィルタの外周側に活性
温度が低い触媒を担持し、内周側に活性温度が高い触媒
を担持する構成が記載されている。しかしながら、この
従来技術は、強制再生制御時に投入される追加燃料の反
応速度が内外周で異なることに着目し、この反応速度を
均等化するためのものであり、パティキュレートの燃焼
開始温度を調整するための構成ではないことから、上記
再生度合の格差を是正することは困難である。

【０００６】本発明の目的は、フィルタの内外周間の温
度差に起因する再生度合の格差を是正し、もって、排気
浄化性能を向上させることができる排気浄化装置を提供
することにある。

【０００７】

【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の発明では、機関の排気通路にパティキュ
レートフィルタを設けた排気浄化装置において、フィル
タ上の外周側部位に、アルカリ金属及びアルカリ土類金
属からなる群から選択される少なくとも一つを担持する
ことにより、内周側部位より外周側部位の燃焼開始温度
が低くなるように調整した。

【０００８】従って、フィルタに捕集されたパティキュ
レートはフィルタ温度の上昇時に燃焼し、これによりフ
ィルタが再生される。ここで、フィルタの外周側部位
は、外気に接した外壁面からの放熱や排気流量の減少に
起因して、内周側部位より温度が低くなるが、この外周
側部位はアルカリ金属やアルカリ土類金属の担持により
パティキュレートの燃焼開始温度が低下されているた
め、パティキュレートの燃焼開始が早められる。その結
果、フィルタの内外周の燃焼状態が均一化されて、フィ
ルタの再生度合の格差が是正される。

【０００９】又、請求項２の発明では、フィルタ上の内
周側部位に触媒貴金属を担持した。アルカリ金属やアル
カリ土類金属に比較すれば弱いものの、貴金属もパティ
キュレートの燃焼開始温度を低下させる作用を奏するた
め、内周側部位に貴金属を担持しない場合に比較して、
フィルタ全体としての燃焼開始温度がより低下し、再生
度合の格差を是正した上で、再生効率が一層向上され
る。

【００１０】更に、請求項３の発明では、アルカリ金属
及びアルカリ土類金属からなる群から選択される少なく
とも一つを炭酸塩として担持させた。炭酸塩は、例えば
硝酸塩や硫酸塩に比較してパティキュレートの燃焼開始
温度の低下作用に優れることから、内外周の燃焼状態の
均一化がより確実に達成される。一方、請求項４の発明
では、フィルタ上の外周側部位に担持した炭酸塩の硝酸
塩又は硫酸塩への変化を抑制すべく、貴金属の担持量を
０若しくは微量に調整した。炭酸塩が貴金属と反応した
場合には、より燃焼開始温度の低下作用が弱い硝酸塩又
は硫酸塩に変化するが、このような事態が未然に防止さ
れ、又、炭酸塩の反応がパティキュレートの燃焼開始温
度を低下させるためにほとんど費やされるため、結果と
して燃焼開始温度の低下作用が最大限に得られる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体化した排気浄
化装置の一実施形態を説明する。本実施形態の排気浄化
装置はディーゼルエンジンに適用され、当該排気浄化装
置のフィルタは、ディーゼルパティキュレートフィルタ
（以下、ＤＰＦという）としてエンジンの排気通路に設
けられている。図１は本実施形態の排気浄化装置に備え
られたＤＰＦを示す断面図、図２はＤＰＦを示す正面
図、図３は図１のＡ部分の詳細を示す部分拡大断面図で
ある。これらの図に示すように、ＤＰＦ１は多数のセル
２ａからなるハニカム（モノリス）型の担体２を有して
いる。担体２の各セル２ａはそれぞれ断面四角状に形成
され、隣接するセル２ａの上流側と下流側との開口部は
交互にプラグ３で閉鎖されている。

【００１２】担体２はコージェライト（Ｍg₂Ａl₄Ｓi₅Ｏ
₁₈）で製作されており、例えば、アルミナ源の粉末、シ
リカ源の粉末、及びマグネシア源の粉末を、アルミナ、
シリカ、マグネシアの割合がコージェライト組成になる
ように混合したものを水に分散させ、その固形分をハニ
カム状に成形し、このハニカム成形体を焼成したもので
ある。尚、この担体２の成形時に、前記プラグ３も同時
に一体成形される。

【００１３】コージェライト担体２ａ上には触媒層が担
持されているが、図１及び図２に担持領域を示すよう
に、本実施形態では触媒層を同心円状の外周側と内周側
とに２分し、各触媒層４ａ，４ｂの組成を異にしてい
る。即ち、内周側の触媒層４ａ（内周側部位）として貴
金属の白金（Ｐt）やセリウム（Ｃe）が担持される一
方、外周側の触媒層４ｂ（外周側部位）としてアルカリ
金属の炭酸カリウム（Ｋ₂ＣＯ₃）が担持されている。本
実施形態では、内周側触媒層４ａの貴金属の担持量が
０．１〜１０ｇ/ｌの範囲で設定され、外周側触媒層４
ｂのアルカリ金属の担持量が１〜１００ｇ/ｌの範囲で
設定されている。

【００１４】内外周の触媒層４ａ，４ｂは、例えば以下
のようにして、コージェライト担体３の表面に形成され
る。内周側触媒層４ａは、白金やセリウム等の貴金属を
含むスラリー中にコージェライト担体２を浸漬した後、
乾燥・焼成することにより形成され、同様に外周側触媒
層４ｂは、炭酸カリウムを含むスラリー中にコージェラ
イト担体２を浸漬した後、乾燥・焼成することにより形
成される。これらの触媒層４ａ，４ｂの形成処理は個別
に順を追って実施され、一方の触媒層４ａ，４ｂの形成
時には、他方の触媒層４ａ，４ｂが形成されるセル２ａ
内にスラリーが侵入するのを防止すべく、該当するセル
２ａの開口部を閉鎖した状態でスラリーへの浸漬を実施
する。

【００１５】以上のように構成された排気浄化装置にお
いて、エンジンからの排ガスは、図１に矢印で示すよう
に各セル２ａを区画する濾過面２ｂを透過して流通し、
含有するパティキュレートを濾過面２ｂに捕集された後
に大気中に排出される。濾過面２ｂに堆積したパティキ
ュレートは、ＤＰＦ温度が所定以上に達する運転状態に
おいて焼却除去され、この再生処理が繰り返されること
により、ＤＰＦ１は継続的にパティキュレートの浄化作
用を奏する。

【００１６】このようなＤＰＦ１の再生は、機関負荷や
回転が高い運転領域において排気温度の上昇に伴って自
ずと行われる一方（連続再生）、ＤＰＦ１の前後差圧等
に基づいてパティキュレートの捕集量が限界と判断され
るときには、周知の吸排気絞りや噴射時期のリタード、
或いはコモンレール式ディーゼルエンジンでは膨張行程
や排気行程でのポスト噴射が実行されて排気温度が上昇
され、パティキュレートが強制的に焼却除去される（強
制再生）。

【００１７】ところで、ＤＰＦ１の外周側触媒層４ｂ
は、外気に接した外壁面からの放熱や排気流量の減少に
起因して、内周側触媒層４ｂより格段に温度が低く、そ
の差は１００℃を遥かに越えることが知られている。こ
こで、本発明者は、内外周の触媒層４ａ，４ｂでパティ
キュレートの燃焼開始温度にどの程度の差が生じている
かを実験し、図４に示すように、貴金属が担持された内
周側触媒層４ａでは燃焼開始温度が５５０℃程度であっ
たのに対し、炭酸カリウムが担持された外周側触媒層４
ｂでは３５０℃程度まで低下することを確認した。

【００１８】この燃焼開始温度の相違により上記した内
外周の実際の温度差が相殺されることになり、ＤＰＦ１
の内外周でのパティキュレートの燃焼タイミングが近づ
くと共に、その後の燃焼の進行状況や燃焼の終了タイミ
ングも近似したものとなる。つまり、内外周でのパティ
キュレートの燃焼状態のばらつきが是正されるため、内
外周間の温度差に起因して生じるＤＰＦ１の再生度合の
格差が是正され、もって、排気浄化性能を向上させるこ
とができる。

【００１９】又、以上のようにＤＰＦ１に担持する触媒
層４ａ，４ｂの構成を変更するだけであり、既存の排気
システムを変更する必要がないことから、極めて容易に
実現することができる。しかも、燃焼状態の均一化は、
従来は遅れ気味であったＤＰＦ１の外周側の再生を促進
する一方、外周側が再生する場合に従来は過熱気味であ
った内周側の温度上昇を抑制することに繋がる。その結
果、外周側の再生促進により、ＤＰＦ１全体としての再
生所要時間を短縮化し、上記した強制再生の実施時に
は、例えばポスト噴射の回数や燃料増加量を低減して燃
費悪化を抑制でき、一方、内周側の温度上昇の抑制によ
り、ＤＰＦ１の溶損等を未然に防止して耐久性を向上で
きるという利点も得られる。

【００２０】尚、図４に示すように、カリウムの他の酸
化物である硝酸カリウム（ＫＮＯ₃）の場合には、パテ
ィキュレートの燃焼開始温度は４００℃程度であり、硫
酸カリウム（Ｋ₂ＳＯ₄）の場合には４７０℃程度であ
り、共に燃焼開始温度の低下作用は奏するものの、炭酸
カリウムほど十分ではないことがわかる。つまり、燃焼
開始温度の低下作用に優れた炭酸カリウムを適用するこ
とにより、上記内外周の燃焼状態の均一化がより確実に
実現され、排気浄化性能の十分に向上させることができ
る。

【００２１】一方、仮に外周側触媒層４ｂ中の炭酸カリ
ウムに白金（Ｐt）等の貴金属を共存させた場合、所謂
ＮＯx吸蔵触媒におけるＮＯx（窒素酸化物）吸着時と同
様に、貴金属上で炭酸カリウムが排ガス中のＮＯと反応
して、硝酸カリウムが生成されたり、ＳＯx（硫黄酸化
物）吸着時と同様に、貴金属上で炭酸カリウムが排ガス
中の硫黄成分ＳＯ₂と反応して、硫酸カリウムが生成さ
れたりする現象が生じる。つまり、炭酸カリウムがより
燃焼開始温度の低下作用の弱い硝酸カリウムや硫酸カリ
ウムに変質してしまうが、本実施形態では外周側触媒層
４ｂに貴金属を含有していないため、このような事態を
未然に防止できるという利点もある。又、貴金属との反
応を防止することにより、炭酸カリウムの反応はパティ
キュレートの燃焼開始温度を低下させるために全て費や
されるため、結果として燃焼開始温度の低下作用を最大
限に得ることができる。

【００２２】又、炭酸カリウムに比較すれば弱いもの
の、内周側触媒層４ａを構成する貴金属も、酸素
（Ｏ₂）による燃焼促進でパティキュレートの燃焼開始
温度を低下させる作用を奏する。よって、内周側触媒層
４ａを形成しない場合（無担持の場合）に比較して、Ｄ
ＰＦ１全体としての燃焼開始温度がより低下し、上記の
ように再生度合の格差を是正した上で、再生効率を一層
向上できるという利点も得られる。

【００２３】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、上記実施形態では、担体２の材料としてをコージェ
ライトを適用したが、ＤＰＦ１の担体２として要求され
る強度や耐熱性を満足できる材料であれば、これに限る
ことはなく、例えばシリコンカーバイト（ＳiＣ）担
体、或いはステンレス等からなる金属繊維やセラミック
繊維を所定の空間充填率となるように分散状態で充填・
固定化したフィルタで構成してもよい。

【００２４】又、上記実施形態では、担体２上にカリウ
ムを炭酸塩の形で担持したが、硝酸塩や硫酸塩、或いは
酸化物や水酸化物等の形で担持してもよい。例えば硝酸
塩や硫酸塩の場合でも、図４に基づいて説明したよう
に、貴金属を担持した場合に比較して十分にパティキュ
レートの燃焼開始温度を低下可能であり、内外周の実際
の温度差が小さい場合には、寧ろ硝酸塩や硫酸塩の方が
パティキュレートの燃焼状態を均一化できるため望まし
い場合もある。又、カリウム以外のアルカリ金属、例え
ばリチウム（Ｌi）、ナトリウム（Ｎa）、ルビジウム
（Ｒb）等を担持したり、アルカリ希土類であるバリウ
ム（Ｂa）、ベリリウム（Ｂe）、マグネシウム（Ｍ
g）、カルシウム（Ｃa）、ストロンチウム（Ｓr）、ラ
ジウム（Ｒa）等を担持してもよい。

【００２５】更に、上記実施形態では、外周側触媒層４
ｂを炭酸カリウムのみから形成したが、炭酸カリウムに
白金（Ｐt）等の貴金属を共存させてもよい。この場合
には、上記のように貴金属により炭酸カリウムが変質す
る可能性はあるものの、貴金属を含有した外周側触媒層
４ｂは吸蔵型ＮＯx触媒と同様にリーン雰囲気下でＮＯx
を吸蔵する作用を奏するため、吸蔵したＮＯxがパティ
キュレートの燃焼に利用されるという別の作用が得られ
る。よって、双方の利害特質を勘案して、貴金属の担持
の有無や担持量を決定することが望ましい。又、貴金属
以外の触媒材料、例えば、アルミナ等の触媒基材、遷移
金属、希土類を炭酸カリウムに共存させてもよい。

【００２６】一方、上記実施形態では、ＤＰＦ１の触媒
層４ａ，４ｂを同心円状の内外周に２分割したが、ＤＰ
Ｆ１の実際の温度分布は内外周間で連続的に変化してい
るため、例えば触媒層を内外周間で３分割して、外周側
の触媒層ほど炭酸カリウムの担持量を増加させたり、或
いは、内周側から外周側に炭酸カリウムの担持量を連続
的に増加させたりしてもよい。又、各触媒層４ａ，４ｂ
は必ずしも同心円状に分割する必要はなく、例えば車体
床下でのレイアウトの関係で、ＤＰＦ１の外壁面の一部
が外気から遮られるときには、その一部については外周
側触媒層４ｂの当該箇所を内周側触媒層４ａと同一組成
（例えば、貴金属のみ担持）として、高い燃焼開始温度
に保ってもよい。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように請求項１の発明の排
気浄化装置によれば、フィルタの内外周間の温度差に起
因する再生度合の格差を是正し、もって、排気浄化性能
を向上させることができる。又、請求項２の発明の排気
浄化装置によれば、請求項１の発明に加えて、フィルタ
全体としての燃焼開始温度をより低下させ、再生度合の
格差を是正した上で、再生効率を一層向上することがで
きる。

【００２８】更に、請求項３の発明の排気浄化装置によ
れば、請求項１の発明に加えて、パティキュレートの燃
焼開始温度の低下作用に優れる炭酸塩を担持するため、
内外周の燃焼状態の均一化をより確実に達成することが
できる。一方、請求項４の発明の排気浄化装置によれ
ば、請求項３の発明に加えて、炭酸塩と貴金属との反応
を防止するため、燃焼開始温度の低下作用を最大限に得
て、内外周の燃焼状態を更に均一化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態の排気浄化装置に備えられたＤＰＦを
示す断面図である。

【図２】ＤＰＦを示す正面図である。

【図３】図１のＡ部分の詳細を示す部分拡大断面図であ
る。

【図４】触媒層の組成と燃焼開始温度との関係を示す説
明図である。

【符号の説明】

１ ＤＰＦ（フィルタ） ４ａ 内周側触媒層（内周側部位） ４ｂ 外周側触媒層（外周側部位）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｂ０１Ｊ 35/04 ３０１ Ｂ０１Ｊ 37/02 ３０１Ｅ 37/02 ３０１ Ｆ０１Ｎ 3/10 Ａ 3/24 Ｅ Ｆ０１Ｎ 3/10 Ｂ０１Ｄ 53/36 １０３Ｃ 3/24 ＺＡＢ Ｆターム(参考） 3G090 AA02 AA03 BA01 CA00 CA01 EA04 3G091 AA18 AA28 AB02 AB06 AB09 AB13 BA00 CB02 CB03 GA06 GB02W GB03W GB05W GB17X 4D019 AA01 BA06 BB06 BC07 CA01 CB04 CB09 4D048 AA14 AB01 BA14X BA15Y BA19X BA30X BA31Y BA32Y BA33Y BA34Y BA45Y BB02 BB14 BB16 CC41 4G069 AA03 AA08 BB16A BB16B BC01A BC03B BC08A BC32A BC33A BC43B BC69A BC75B CA03 CA07 CA18 DA06 EA19 EC29 FA03 FB15 FB17 FB18 FB19

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 機関の排気通路にパティキュレートフィ
   ルタを設けた排気浄化装置において、 上記フィルタ上の外周側部位に、アルカリ金属及びアル
   カリ土類金属からなる群から選択される少なくとも一つ
   を担持することにより、内周側部位より上記外周側部位
   の燃焼開始温度が低くなるように調整したことを特徴と
   する排気浄化装置。
2. 【請求項２】 上記フィルタ上の内周側部位には触媒貴
   金属が担持されていることを特徴とする請求項１に記載
   の排気浄化装置。
3. 【請求項３】 上記アルカリ金属及びアルカリ土類金属
   からなる群から選択される少なくとも一つは炭酸塩とし
   て担持されることを特徴とする請求項１に記載の排気浄
   化装置。
4. 【請求項４】 上記フィルタ上の外周側部位は、上記担
   持した炭酸塩の硝酸塩又は硫酸塩への変化を抑制すべ
   く、貴金属の担持量が０若しくは微量に調整されている
   ことを特徴とする請求項３に記載の排気浄化装置。