JP2010013944A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】浄化効率を下げることなく小型化が可能なディーゼルエンジンの排気浄化装置を提供する。
【解決手段】排気ガス中の一酸化窒素を二酸化窒素に酸化する酸化触媒または炭化水素、一酸化窒素、窒素酸化物を酸化・還元するする三元触媒を担持した触媒（１１）と、略円筒形状を有し、排気ガス中の粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタ（１２）と、を備え、前記触媒部（１１）は、波状に形成した波板と、平板または小波状に形成した小波板の箔板により構成され、前記パティキュレートフィルタ（１２）の内部空洞部分に内装されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディーゼルエンジンの排気浄化装置に関し、より詳細には、浄化効率を下げることなく小型化が可能な排気浄化装置に関する。

ディーゼルエンジンの排気ガスにはさまざまな物質が含まれる。このうち、炭素成分の煤等からなる粒子状物質（ＰＭ：Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）をフィルタによって捕集する、いわゆるＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）が実用化されており、ＰＭの排出を低減している。

このようなＤＰＦとして、ハニカム状のフィルタ装置のセルの表面に酸化機能を有する触媒を担持し、排気ガス中のＮＯを酸化触媒により酸化して生成されたＮＯ₂を用いてＰＭを燃焼させるように構成した排気浄化装置（特許文献１参照。）が知られている。

また、このようにフィルタ表面に触媒を担持させた場合は、ＰＭがセル内に付着した場合に、触媒成分の性能が十分に発揮されず、ＰＭの除去効率が下がる場合がありうる。これに対して、無機質の不織布に触媒成分を担持し、これをフィルタのセル内に配設した排ガス浄化装置（特許文献２参照。）が知られている。
特開２００５−２９１０６２号公報 特開２００７−２７５８７４号公報

前述の特許文献１のような排気浄化装置は、フィルタ装置の表面に触媒が担持されているので、フィルタ装置の表面にＰＭが堆積した場合は連続再生が行えず、排気管に燃料を噴射して強制的に再生を行う必要がある。

また、前述の特許文献２のように、不織布等の三次元網目状構造体に触媒を担持させた場合は、触媒がＰＭの堆積に阻害されないためフィルタ装置の連続再生が可能となるが、不織布中の排気ガスの流れが不均一となり、フィルタにおけるＰＭの捕集や再生効率が悪化してしまう可能性がある。また三次元網目状構造体は、排気ガスの排圧により変形してしまう場合もあり、これによってさらにＰＭの捕集やフィルタ再生が悪化する。

本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、ＰＭを捕集するフィルタの再生効率を下げることなく、小型化が可能なディーゼルエンジンの排気浄化装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、ディーゼルエンジンの排気ガスを浄化する排気浄化装置において、排気ガス中の一酸化窒素を二酸化窒素に酸化する酸化触媒または炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物を酸化・還元する三元触媒を担持した触媒部と、内部に空洞を有する略円筒形状を有し、排気ガス中の粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタと、を備え、前記触媒部は、波状に形成された波板および平板または小波形状に形成された小波板から構成され、前記パティキュレートフィルタの内部空洞部分に内装されていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記触媒部は、パティキュレートフィルタの内部空洞部分において、中心部に導入された排気ガスを周方向に分散する排気ガス流路を備えることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記排気ガス流路は、排気ガス流れ上流方向から下流方向へと複数配置され、排気ガスを、排気ガス流れ方向に分散させるように構成したことを特徴とする排気浄化装置。

請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一つの記載の発明において、前記触媒部は、波板と平板または小波板の各々に開孔を設けた箔板材を重ねて巻回して触媒担体とし、前記開孔を通して排気ガスがフィルタ部へ流れることを特徴とする。また、触媒部に直接パティキュレートフィルタを巻く事ができるので、フィルタの保持材として、また、触媒部からの反応熱を有効にパティキュレートフィルタの加熱に活用できる。

請求項５に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一つに記載の発明において、前記触媒部は、波板が排気ガス流れ方向に向かうに従って径が大きくなるように形成された触媒担体と、略平面または小波であり、排気ガス流れ方向に向かうに従って径が大きくなるように構成された仕切り板と、が互いに積層されて構成されていることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によると、略円筒形状のパティキュレートフィルタの内部空洞部分に触媒部を内装したので、排気浄化装置を排気ガス流れ方向に短縮することができる。これにより、排気浄化装置を小型化することができるので、スペース効率を向上することができ、排気系のレイアウトの自由度を高めることができる。また、波形状により表面積を大きくした触媒部の触媒反応により、パティキュレートフィルタの昇温が促進されるので、フィルタの再生効率を高めることができる。

請求項２に記載の発明によると、触媒部は、パティキュレートフィルタの内部空洞部分において、排気ガスを周方向に分散する排気ガス流路を備えるので、排気ガスとの接触面積を増やすことで触媒効率が高まり、触媒反応により生成されるＮＯ₂によりＰＭの再生効率を高めることができる。

請求項３に記載の発明によると、排気ガスを、排気ガス流れ方向に分散させることにより、パティキュレートフィルタにおけるＰＭの収集効率及びＰＭの再生効率を向上させることができる。

請求項４に記載の発明によると、触媒部は、波板と平板各々に開孔を設けた箔材を重ねて巻回して触媒担体としたものを使用したため、単位体積当たりの表面積を非常に大きくとることができ、しかも開孔によるガス拡散効果で境界層を破壊して触媒による浄化性能が向上する。また、開孔の形状、分布によりガス流れのコントロールが可能であり、更には、触媒担体に剛性を有するため触媒担体自体にフィルタを巻く事が可能であるため、反応熱を、ＰＭを除去しフィルタの再生に有効に活用できる。

請求項５に記載の発明によると、触媒部は、波形表面の略円錐台形状の触媒担体と平面または小波形状の略円錐台形状の仕切り板とを積層させたので、排気ガスとの接触面積を増やすことができると共に、パティキュレートフィルタを通過する排気ガスの流れを適切にコントローすることができ、ＰＭの捕集効率及びＰＭの除去によるパティキュレートフィルタの再生効率を向上させることができる。

以下に、本発明の実施形態の排気浄化装置１０について図面を用いて説明する。

図１は、本発明の実施形態の排気浄化装置１０を中心とした説明図である。
この排気浄化装置１０は、車両に搭載されるエンジン２０の排気ガスを流通する排気管３０の途中に備えられる。また、排気浄化装置１０の後方には消音器４０が備えられる。なお、図中の矢印は排気ガスの流れ方向を示す。

エンジン２０は、例えばコモンレール式の燃料供給装置を備えるディーゼルエンジンによって構成される。

エンジン２０は、運転により排気ガス中に煤（Ｓｏｏｔ）や可溶性有機成分（ＳＯＦ；Ｓｏｌｕｂｌｅ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｆｒａｃｔｉｏｎ）を主成分とする粒子状物質（ＰＭ；Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）を発生する。このＰＭを大気に放出することを防止するために、排気管３０の途中に、金属不織布や多孔質セラミックス等より構成されたパティキュレートフィルタ（フィルタ部１２）を備え、このパティキュレートフィルタによってＰＭを捕集することが一般的である。

エンジン２０が排出する排気ガスによって、パティキュレートフィルタには徐々にＰＭが堆積する。このＰＭの堆積によって排気ガスの流通が損なわれるので、パティキュレートフィルタからＰＭを除去する処理（「再生」と呼ぶ）が必要となる。パティキュレートフィルタの再生には、取り外して洗浄したり、加熱してＰＭを燃焼させる方法もあるが、ストイキオメトリ時に排気ガス中に多く発生するＮＯ（一酸化窒素）から、酸化触媒によりＮＯ₂（二酸化窒素）を発生させ、このＮＯ₂の酸化作用によりＰＭを燃焼させて無害なガス（Ｎ₂（窒素）、ＣＯ₂（二酸化炭素）、Ｈ₂Ｏ（水））として排出する方法（「連続再生」と呼ぶ）が、用いられている。

このように、酸化触媒の後方にパティキュレートフィルタを配置する場合は、酸化触媒によるＮＯの酸化効率の向上と、酸化触媒の反応熱による酸化触媒及びパティキュレートフィルタの昇温とが、ＰＭの再生効率を向上するために重要となる。

そこで、本発明の実施形態では、排気浄化装置１０を小型化しつつ、触媒部１１の触媒効率及びフィルタ部１２のＰＭ再生効率を向上させるように、以下に示すような特徴的な構成を備えた。

排気浄化装置１０は、その外形を構成する略筒状のケース１０ａ内に、略円筒形状のフィルタ部１２備える。また、排気浄化装置１０の排気ガス流れ方向上流側には、ケース１０ａを塞ぐためのフランジ部１０ｂを備える。このフランジ部１０ｂは、排気管３０のフランジ部３０ａと、例えばボルト接合や溶接等によって接合することができるように構成される。

また、ケース１０ａの排気ガス流れ下流付近は、排気ガス流れ方向に徐々に径を小さくしたテーパ形状としている。そして、ケース１０ａの最下流部は、ケース１０ａと排気管３０とが略同一径として、排気浄化装置１０と排気管３０とを接合する。排気浄化装置１０において、フィルタ部１２を通過した排気ガスは、下流側の排気管３０を介して消音器４０へと流通し、大気に放出される。

フィルタ部１２（パティキュレートフィルタ）は、その外形が略円筒形状であり、排気ガス流れ上流方向に開口し、排気ガス流れ下流方向には目封じ板１２ａにより閉塞されている。このフィルタ部１２は、例えば、多数の孔を持つ耐熱性金属円筒に不織布状の金属繊維を巻き付けることによって構成される。なお、フィルタ部１２は、多孔質セラミック等によって構成されていてもよい。

この円筒形状のフィルタ部１２は、内部に空洞を有しており、この内部空洞部分には、触媒部１１が内装される。

触媒部１１は、後の図２及び３で説明するように、表面に波形状を有し、排気ガス流れ下流方向に向かうに従って径が大きくなるように構成された触媒担体11aと、表面が平面であり、排気ガスの流れ下流方向に向かうに従って径が大きくなるよう構成された仕切り板１１ｂと、が交互に積層されて構成される。触媒部１１の外形は、フィルタ部１２の内部空洞壁面に当接するように構成されている。

フィルタ部１２は、前述のような構造により金属不織布に排気ガス中のＰＭを捕集する。また、捕集されたＰＭは、後に説明する再生処理によってＣＯ₂（二酸化炭素）やＨ₂Ｏ（水）等に分解されて、排気管３０から消音器４０を経て、大気へと排出される。

図２は、本発明の実施形態の触媒担体11aの波板の斜視図である。

図２に示すように、触媒部１１の触媒担体１１ａは、外形が略円錐台形状であり、上底及び下底のない中空の構造を持つ。そして、触媒担体１１ａの表面は波形の凹凸を有している。

この触媒担体１１ａは、例えば、金属からなる扇形の箔板を、扇の要方向に向かう凹凸形状を加工して、該箔板の端面を接合することによって形成される。すなわち、触媒担体１１ａは、排気ガス流れ方向かつ周方向に、排気ガスの流れを制御するフィン構造を有している。この触媒担体１１ａに、貴金属等を含む触媒を担持させる。この触媒部１１は、この触媒の作用により、排気ガス中の炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物を酸化・還元させて、ＮＯ₂やＣＯ₂を生成する。

また、触媒部１１は、触媒担体１１ａの凹凸形状に効率よく排気ガスを流通させるための仕切り板１１ｂを備える。仕切り板１１ｂは、外形が平板状で略円錐台形状であり、上底及び下底のない中空の構造を持つ。仕切り板１１ｂは、例えば、金属からなる扇形の箔板を、その端面を接合することによって、略円錐台形状に形成される。触媒担体１１ａより小さな波板形状にしても良い。

図３は、本発明の実施形態の触媒部１１の斜視図である。

図３に示すように、触媒部１１は、触媒担体１１ａと仕切り板１１ｂとを、交互に重ね合わせることによって構成される（積層セル）。なお、触媒担体１１ａ及び仕切り板１１ｂは、それぞれ、排気ガス流れ下流方向に向かうに従って径が大きくなるような向きに配置され、それぞれが積層される。なお、これら触媒担体１１ａと仕切り板１１ｂとを拡散結合等によって接合してもよい。

この触媒担体１１ａの凹凸形状により、重ね合わせられた触媒担体１１ａと仕切り板１１ｂとの間に複数の排気ガス流路１１ｃが形成される。

より詳しくは、触媒担体１１ａの上面（排気ガス流れ方向上流側の面）の凸部が仕切り板１１ｂの内面（排気ガス流れ方向下流側の面）と当接することにより、触媒担体１１ａの上面の凹部と仕切り板１１ｂの内面とで囲まれる空間が排気ガス流路１１ｃを形成する。同様に、触媒担体１１ａの内面の凸部が仕切り板１１ｂの上面と当接することにより、触媒担体１１ａの内面の凹部と仕切り板１１ｂの上面とで囲まれる空間が排気ガス流路１１ｃを形成する。

一つの触媒担体１１ａにおいて、排気ガス流路１１ｃは、排気ガス流れ方向において、上流方向から下流方向に向かうに従って周方向に拡散するように形成されている。また、触媒部１１全体では、排気ガス流路１１ｃは、フィルタ部１２の内部に、排気ガスが、排気ガス流れ上流方向から下流方向に分散するように形成されている。

このように構成された本発明の実施の形態の排気浄化装置１０は、次のように作用することによって、排気ガス中のＰＭを捕集すると共に、捕集されたＰＭの再生を行う。

エンジン２０から排気管３０に排出される排気ガスは、排気浄化装置１０において、まず触媒部１１を通過する。触媒部１１では、前述のように複数の排気ガス流路１１ｃが形成されている。排気ガスがこの複数の排気ガス流路１１ｃを通過する際に、触媒担体１１ａの表面に担持された触媒と反応する。この反応によって排気ガス中の炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物が排気ガス中の酸素により酸化され、ＮＯ₂としてフィルタ部１２へと流通する。また、排気ガス中のＣＯは、排気ガス中の酸素により酸化され、ＣＯ₂として流通する。

フィルタ部１２は、排気ガス中のＰＭを捕集する。捕集されたＰＭは、所定温度（例えば３００℃）以上において、触媒部１１により生成されたＮＯ₂と反応して酸化反応を起こす。これによりＰＭが燃焼されて、Ｎ₂、ＣＯ₂、Ｈ₂Ｏに分解されて排気ガスと共に排出される。また、排気ガス温度の上昇によりフィルタ部の温度がさらに上昇（例えば６００℃）した場合は、ＰＭ成分が自己着火して、ＣＯ₂やＨ₂Ｏに分解されて排気ガスと共に排出される。

特に、触媒部１１は、フィルタ部１２に内装され、その外形がフィルタ部１２の内部空洞に当接しているため、触媒部１１における触媒の反応熱により、フィルタ部１２の昇温が促進される。

以上のような処理によって、排気ガス中の有害成分であるＨＣ、ＮＯ、ＣＯ及びＰＭが、無害なＨ₂Ｏ、Ｎ₂、Ｏ₂、ＣＯ₂等に浄化される。

なお、触媒部１１は、触媒担体１１ａと仕切り板１１ｂとを、排気ガス流れ方向に直列に積層したが、触媒の反応効率を向上するために、さらに触媒担体１１ａの表面積を大きくするような形状としてもよい。具体的には、直列に積層した触媒担体１１ａと仕切り板１１ｂとの内側の空洞に、さらに径の小さい触媒担体１１ａと仕切り板１１ｂとを積層させた構造を内装した二重構造としてもよい。また、さらに径の小さい触媒担体１１ａと仕切り板１１ｂとを積層させた構造を内装した三重構造としてもよい。

また、触媒担体１１ａと仕切り板１１ｂとは中央部が開口しており、この開口部を排気ガスが通過するように構成されている。これに対して、例えば、これら触媒担体１１ａと仕切り板１１ｂとによって構成される触媒部１１の開口部が、排気ガス流れ方向に従って、徐々に小さくなるような形状としてもよい。

このように、触媒部１１を構成する触媒担体１１ａと仕切り板１１ｂとの構造を変更することによって、フィルタ部１２を通過する排気ガスの流れを適切にコントローすることができ、ＰＭの捕集効率及びＰＭの再生効率を向上させることができる。

また、ＰＭを除去するフィルタの再生効率を向上させるために、フィルタ部１２の金属不織布に触媒を担持させてもよい。

このように構成された本発明の実施形態の排気浄化装置１０は、ディーゼルエンジンであるエンジン２０が排出するＰＭを含む排気ガスを適切に浄化することができる。

特に、略円筒状に構成されたフィルタ部１２の内部空洞部に触媒部１１を内装したので、排気浄化装置１０を排気ガス流れ方向に短縮することができる。これにより、排気浄化装置１０を小型化することができるので、スペース効率を向上することができ、排気系のレイアウトの自由度を高めることができる。

また、触媒部１１は、排気ガスの流れ下流方向に向かうに従って径が大きくなるように構成され、波形状を有する触媒担体１１ａと、排気ガスの流れ下流方向に向かうに従って径が大きくなるよう構成された表面が平面の仕切り板１１ｂと、が交互に積層されて構成されている。これにより、触媒担体１１ａにおいて排気ガスとの接触面積を増やすことができ、触媒効率が高まるので、触媒反応により生成されるＮＯ₂によりＰＭの再生効率を高めることができる。また、コールドスタート時にも昇温が促進され、触媒の活性化を早めると共に、ＰＭを除去するフィルタの再生効率を高めることができる。また、このような構成により、部品点数を増やすことなくフィルタ部１２の内側に触媒部１１を固定することができ、製造コストを抑えることができる。

また、触媒部１１は、金属等の硬質の箔板からなる触媒担体１１ａ及び仕切り板１１ｂによって構成されるので、剛性を有し触媒担体に不織布を用いる場合と比較して、長時間の使用においても排気ガスの排圧によって変形し難く、耐久性を向上することができる。また、このような構造により、排気ガスの流れをコントロールすることが可能となるため、触媒効率を高めることができると共に、フィルタ部１２におけるＰＭの捕集効率及びＰＭの再生効率を高めることができる。

また、触媒部（１１）としての構造を、開孔部（１３ａ）を有する触媒担体（開孔巻回タイプ）（１３ｂ、１３ｃ）に変更した実施例を図４、５、６に示す。

これは、波形状に形成した波板（１３ｂ）と、平板または前記波板より小さな波板に形成した小波板（１３ｃ）と、を重ね合わせて、巻回して形成している。波板（１３ｂ）及び平板または小波板（１３ｃ）の両者には、開孔部（１３ａ）を設けてある。これによって、中心部に導入された排気ガスは開孔部（１３ａ）を通して外周方向に分散する。

図４、５、６において、スリットの形状をガス流れ方向に対して長軸方向が直行するように配列されているが、円形状、楕円形状、三角形状にしたり、配置パターンを変えることで排気ガスの流れをコントロールすることが可能となる。

また、触媒部（１１）は、波板（１３ｂ）と平板（１３ｃ）各々に開孔（１３ａ）を設けた箔材を重ねて巻回して触媒担体としたものを使用したため、単位体積当たりの表面積を非常に大きくとることができ、しかも開孔によるガス拡散効果で境界層を破壊して触媒による浄化性能が向上する。また、開孔の形状、分布によりガス流れのコントロールが可能であり、更には、触媒担体に剛性を有するため触媒担体自体にフィルタを巻く事が可能であるため、反応熱を、ＰＭを除去しフィルタの再生に有効に活用できる。

なお、本発明の排気浄化装置１０は、自動車に限定されるものではなく、ディーゼルエンジンを用いるさまざまな産業機械やボイラ等の排気ガスの浄化に用いることができる。

本発明の実施形態（積層セルタイプ）の排気浄化装置を中心とした説明図である。 本発明の実施形態の積層セル触媒担体の斜視図である。 本発明の実施形態の積層セル触媒部の斜視図である。 本発明の別の実施形態（開孔巻回タイプ）の排気浄化装置を中心とした説明図である。 本発明の別の実施形態（開孔巻回タイプ）の担体成形過程の斜視図である。 本発明の別の実施形態（開孔巻回タイプ）の担体斜視図である。

符号の説明

１０ 排気浄化装置
１０ａ ケース
１１ 触媒部
１１ａ 触媒担体
１１ｂ 仕切り板
１１ｃ 排気ガス流路
１２ フィルタ部
１３ 開孔触媒担体
１３a 開孔部
１３ｂ 波板
１３ｃ 平板
２０ エンジン
３０ 排気管
４０ 消音器

Claims (5)

1. ディーゼルエンジンの排気ガスを浄化する排気浄化装置において、
   排気ガス中の一酸化窒素を二酸化窒素に酸化する酸化触媒または炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物を酸化・還元する三元触媒を担持した触媒部と、
   内部に空洞を有する略円筒形状を有し、排気ガス中の粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタと、を備え、
   前記触媒部は、波状に形成した波板と、平板または小波状に形成した小波板の箔板により構成され、前記パティキュレートフィルタの内部空洞部分に内装されていることを特徴とする排気浄化装置。
2. 請求項１に記載の排気浄化装置において、
   前記触媒部は、パティキュレートフィルタの内部空洞部分において、中心部に導入された排気ガスを周方向に分散する排気ガス流路を備えることを特徴とする排気浄化装置。
3. 請求項１又は２に記載の排気浄化装置において、
   前記排気ガス流路は、排気ガス流れ上流方向から下流方向へと複数配置され、排気ガスを、排気ガス流れ方向に分散させるように構成したことを特徴とする排気浄化装置。
4. 請求項１から３のいずれか一つに記載の排気浄化装置において、
   前記触媒部は、
   波板と、平板または小波板の各々に開孔を設けた箔材を重ねて巻回して形成され、
   前記開孔により、ガス流れを外周方向に分散されるように構成したことを特徴とする排気浄化装置。
5. 請求項１から３のいずれか一つに記載の排気浄化装置において、
   前記触媒部は、波板が排気ガス流れ方向に向かうに従って径が大きくなるように形成された触媒担体と、その表面が略平面または小波であり、排気ガス流れ方向に向かうに従って径が大きくなるように構成された仕切り板と、が互いに積層されて構成されていることを特徴とする排気浄化装置。