JP2011149296A

JP2011149296A - 排気処理装置

Info

Publication number: JP2011149296A
Application number: JP2010009646A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Hayashizaki; 圭一林崎; Mitsuru Hosoya; 満細谷; Hiroshi Hirabayashi; 浩平林
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2010-01-20
Filing date: 2010-01-20
Publication date: 2011-08-04

Abstract

【課題】簡単かつ安価でコンパクトな構成でありながら、ＨＣやＣＯの大気中へのリークを効果的に抑制しつつ、効率良くパティキュレートマターを酸化してディーゼルパティキュレートフィルタの再生処理を効率良く行うことができる排気処理装置を提供する。
【解決手段】本発明は、燃焼装置（１）から排気通路（２）を介して排出される排気を処理する排気処理装置であって、前記排気通路（２）に介装され、前記燃焼装置（１）から排出されるパティキュレートマターを捕集するパティキュレートフィルタ（５）を含んで構成され、パティキュレートフィルタ（５）の排気流路であって排気上流側が開口され排気下流側が目封じされた排気流入側流路（５Ａ）の内壁に第１の触媒（ＰＭ酸化触媒１０）が適用され、排気流出側流路（５Ｂ）の内壁に第２の触媒（ＨＣ／ＣＯ酸化触媒２０）が適用されたことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃焼装置から排出され種々の排出物質を含む気体（排気）を処理する排気処理装置に関する。

燃焼装置からの排気を浄化して大気汚染の拡大を抑制することは重要な課題であるが、例えば、ディーゼル燃焼機関に関しては、排気中のＰＭ（パティキュレートマター：粒子状物質＝主に黒煙（スス）、ＳＯＦと称される燃え残った燃料や潤滑油の成分、サルフェートと称される軽油燃料中の硫黄分から生成される成分を含む）の大気への排出を抑えるために、例えば、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤｉｅｓｅｌＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＦｉｌｔｅｒ）を排気通路に介装し、排気をディーゼルパティキュレートフィルターを通過させることで排気中のＰＭを捕集する方法がある。

この種のディーゼルパティキュレートフィルタは、例えば、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により構成され、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、入口が目封じされていない流路に流入し各流路を画成する多孔質薄壁を透過した排気のみが下流側へ排出されるように構成されている。

排気中のＰＭ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、目詰まりによって排気抵抗が所定以上に大きくならないように、例えば、所定の運転時間が経過した場合や、所定の排圧に至った場合に、捕集したＰＭを燃焼（酸化）除去してディーゼルパティキュレートフィルタを再生する必要がある。

ここで、ディーゼルパティキュレートフィルタを良好に再生するためにはＰＭが自己着火して燃焼するのに適した温度に昇温させる必要があるが、比較的低い排気温度でもＰＭを効果的に燃焼除去することができるように、例えば、主にＰＭ酸化のためのＰＭ酸化触媒装置をディーゼルパティキュレートフィルタの排気上流側に設けると共に、特許文献１に開示されるように、ＰＭ酸化性能が低くＨＣやＣＯの酸化性能を持つＰｔ系の酸化触媒を一体的に担持させた触媒化ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＣＤＰＦ：ＣａｔａｌｙｚｅｄＤｉｅｓｅｌＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＦｉｌｔｅｒ）を排気通路に介装することなどが行われている（図５参照）。

特開２００３−８３１３９号公報

ところで、上述したような触媒化ディーゼルパティキュレートフィルタを用いない場合には、図６に示すように、ディーゼルパティキュレートフィルタの排気下流側に、例えば主にＨＣやＣＯを酸化するためのＨＣ／ＣＯ酸化触媒装置を介装して、ＨＣやＣＯの大気中へのリークを抑制するようにしたものもある。

なお、ＰＭ酸化触媒装置をディーゼルパティキュレートフィルタの排気上流側に設けた場合でも、例えばアイドル運転など負荷の小さい機関運転領域では排気温度が低いため、酸化触媒の活性温度領域まで触媒温度を上昇或いは維持することができない場合があり、かかる場合においてもディーゼルパティキュレートフィルタを再生できるようにするための方法として、特許文献１に記載されているように、エンジン側を制御して、いわゆる燃料ポスト噴射（１回の燃焼のうち、メイン噴射後に行う噴射で、筒内で燃焼させずに排気と共に未燃の炭化水素ＨＣをディーゼルパティキュレートフィルタに供給することを狙った燃料噴射）を行わせることで、未燃の炭化水素を排気と共にディーゼルパティキュレートフィルタに供給してディーゼルパティキュレートフィルタに担持されている触媒上で反応させ、その反応熱を利用してＰＭを燃焼（酸化）させることなども行われている。

ところで、図５や図６に示したように、ＰＭ酸化触媒装置をディーゼルパティキュレートフィルタの排気上流側に設け、ＨＣ／ＣＯ酸化触媒をディーゼルパティキュレートフィルタに担持させたり、或いはディーゼルパティキュレートフィルタの下流側にＨＣ／ＣＯ酸化触媒装置を別個に設けるようにした場合には、ＰＭ酸化触媒と、ディーゼルパティキュレートフィルタに堆積して酸化の対象となるＰＭと、の距離が比較的長いため、ＰＭ酸化性能が低くならざるを得ないと共に、排気処理システムが大型化してしまうのが実情であった。

本発明は、かかる実情に鑑みなされたもので、簡単かつ安価でコンパクトな構成でありながら、ＨＣやＣＯの大気中へのリークを効果的に抑制しつつ、効率良くパティキュレートマターを酸化してディーゼルパティキュレートフィルタの再生処理を効率良く行うことができる排気処理装置を提供することを目的とする。

本発明に係る排気処理装置は、
燃焼装置から排気通路を介して排出される排気を処理する排気処理装置であって、
前記排気通路に介装され、前記燃焼装置から排出されるパティキュレートマターを捕集するパティキュレートフィルタを含んで構成され、
パティキュレートフィルタの排気流路であって、排気上流側が開口され排気下流側が目封じされた排気流入側流路の内壁に第１の触媒が適用され、
パティキュレートフィルタの排気流路であって、排気流入側流路へ流入した排気が多孔質壁を通過して流入するように排気上流側が目封じされると共に、排気下流側が開口された排気流出側流路の内壁に第２の触媒が適用されたことを特徴とする。

本発明において、前記第１の触媒は、パティキュレートマターの酸化に適したＰＭ酸化触媒であることを特徴とすることができる。

本発明において、前記第２の触媒は、ＨＣやＣＯの酸化に適したＨＣ／ＣＯ酸化触媒であることを特徴とすることができる。

本発明において、前記第１の触媒の適用範囲が、排気流入側流路の内壁の一部に制限されていることを特徴とすることができる。

本発明において、前記第２の触媒の適用範囲が、排気流出側流路の内壁の一部に制限されていることを特徴とすることができる。

本発明によれば、簡単かつ安価でコンパクトな構成でありながら、ＨＣやＣＯの大気中へのリークを効果的に抑制しつつ、効率良くパティキュレートマターを酸化してディーゼルパティキュレートフィルタの再生処理を効率良く行うことができる排気処理装置を提供することができる。

本発明の一実施の形態に係る排気処理装置の構成例を示す図である。同上実施の形態に係る排気処理装置を構成するディーゼルパティキュレートフィルタを構成する排気流入側流路、多孔質薄壁、排気流出側流路、排気流入側流路の内壁に適用されたＰＭ酸化触媒、排気流出側流路の内壁に適用されたＨＣ／ＣＯ酸化触媒を拡大して示した図である。図２に対して、排気流入側流路の内壁へのＰＭ酸化触媒の適用領域と、排気流出側流路の内壁へのＨＣ／ＣＯ酸化触媒の適用領域と、を変更した場合の一例を拡大して示した図である。同上ディーゼルパティキュレートフィルタの排気流路及び目封じの構造例を説明するための図である。従来の排気処理装置（ＰＭ酸化触媒＋触媒化ディーゼルパティキュレートフィルタ）の構成例を説明する図である。従来の排気処理装置（ＰＭ酸化触媒＋触媒無しディーゼルパティキュレートフィルタ＋ＨＣ／ＣＯ酸化触媒）の構成例を説明する図である。

以下、本発明に係る一実施の形態を、添付の図面を参照しつつ説明する。なお、以下で説明する実施の形態により、本発明が限定されるものではない。

図１に示すように、本実施の形態の排気処理装置においては、内燃機関１から排出される排気が流れる排気通路２の過給機３の排気タービン下流側に、酸化触媒装置４が介装されると共に、その下流側に、触媒再生型のディーゼルパティキュレートフィルタ（触媒化ディーゼルパティキュレートフィルタ）５が介装されている。

なお、内燃機関１は、例えばディーゼル燃焼を行うディーゼルエンジンとすることができるが、これに限定されるものではなく、排気を伴う燃焼装置であれば、ガソリンエンジンその他の内燃機関の他、外燃機関とすることもでき、燃焼方式に拘わらず、あらゆる移動式・定置式の燃焼装置とすることができる。

ここで、本実施の形態に係る酸化触媒装置４は、ＰＭ酸化触媒を担持した触媒装置とすることができる。ＰＭ酸化触媒は、活性酸素を生成して堆積ＰＭまで移動させて積極的にＰＭを酸化（燃焼）させる酸化触媒であり、例えば、Ｆｅ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐ等の金属触媒＋ＣｅＯ_２、ＺｒＯ_２等の酸素吸蔵触媒などを利用することができる。

本実施の形態に係るディーゼルパティキュレートフィルタ５は、図４に模式的に示すように、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により構成され、格子状に区画された各流路（セル）（５Ａ）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（５Ｂ）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（５Ａ、５Ｂ）を区画する多孔質薄壁５Ｃを透過して排気が下流側へ排出されるように構成されている。なお、流路５Ａの内壁（多孔質薄壁５Ｃの流路５Ａに臨む表面）にパティキュレートは付着して捕集され堆積する。

ここにおいて、本実施の形態に係るディーゼルパティキュレートフィルタ５は、図２に拡大して示すように、ディーゼルパティキュレートフィルタ５の並列に複数並ぶ各流路のうちの排気流入側流路５Ａ（排気上流側が開口され、排気下流側が目封じされて閉塞された流路）に臨む多孔質薄壁５Ｃの表面（排気流入側流路５Ａの内壁）に、ＰＭ酸化触媒１０がコートされている。

このＰＭ酸化触媒１０は、活性酸素を生成し移動させて積極的にＰＭを酸化（燃焼）させる酸化触媒であり、例えば、Ｆｅ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐ等の金属触媒＋ＣｅＯ_２、ＺｒＯ_２等の酸素吸蔵触媒などを利用することができる。

そして、本実施の形態に係るディーゼルパティキュレートフィルタ５の排気流出側流路５Ｂ（排気上流側が目封じされて閉塞され、排気下流側が開口されている流路）に臨む多孔質薄壁５Ｃの表面（排気流出側流路５Ｂの内壁）には、ＨＣ／ＣＯ酸化触媒２０がコートされている。

ＨＣ／ＣＯ酸化触媒２０は、ディーゼルパティキュレートフィルタ再生中におけるＨＣ／ＣＯの大気中へのリークを抑えるための酸化触媒として機能し、例えば、主にＰｔ、Ｐｄ、Ｒｈなどの触媒を利用することができる。

このように、本実施の形態では、排気流入側流路５Ａに臨む多孔質薄壁５Ｃの表面にＰＭ酸化触媒１０を適用（塗布、コーティング、含侵など）し、排気流出側流路５Ｂに臨む多孔質薄壁５Ｃの表面には、ＰＭ酸化触媒１０とは種類の異なるＨＣ／ＣＯ酸化触媒２０を適用するように構成したので、多孔質薄壁５Ｃに堆積したＰＭの近傍に存在するＰＭ酸化触媒１０により効率良くＰＭを酸化することができると共に、ＰＭの酸化（ディーゼルパティキュレートフィルタ再生）に伴い発生するＨＣやＣＯを、ＨＣ／ＣＯ酸化触媒２０により効率良く酸化除去して、大気中へのリークを抑制することができる。

ここで、ＰＭ酸化触媒１０が本発明に係る第１の触媒の一例に相当し、ＨＣ／ＣＯ酸化触媒２０が本発明に係る第２の触媒の一例に相当する。

なお、図５や図６に示したような従来の排気浄化システムではＰＭ酸化触媒から、ディーゼルパティキュレートフィルタに堆積しているＰＭまでの距離が比較的長い構造であるため、ＰＭ酸化触媒の持つＰＭ酸化性能が十分に発揮されず、更にシステムが大型化するといった惧れがあったが、本実施の形態では、ＰＭ酸化触媒１０を、ＰＭが堆積する多孔質薄壁５Ｃに適用することで、ＰＭ酸化触媒１０から、堆積しているＰＭまでの距離を短くすることができ、更に、ＰＭの酸化反応近傍の多孔質薄壁５ＣにＨＣ／ＣＯ酸化触媒２０を適用する構成としたので、ＨＣやＣＯの大気中へリークを抑制しながらＰＭ酸化性能を効果的に高めることができると共に、システムの小型化を図ることができる。

すなわち、本実施の形態によれば、ＰＭの酸化に適したＰＭ酸化触媒１０と、ＨＣ／ＣＯの酸化に適したＨＣ／ＣＯ酸化触媒２０と、を、両立が難しいそれぞれの機能を効果的に奏することができるように、その機能に応じてディーゼルパティキュレートフィルタ５の多孔質薄壁５Ｃへの適用部位を異ならせて担持させるようにしたので、簡単かつ安価でコンパクトなシステムを実現しながら、ＨＣやＣＯの大気中へのリークを効果的に抑制しつつ、効率良くＰＭを酸化してディーゼルパティキュレートフィルタを効率良く再生することができる。

なお、ＰＭ酸化触媒１０やＨＣ／ＣＯ酸化触媒２０をコートする際に、例えばディーゼルパティキュレートフィルタ５を浸す深さを調整したりマスキングしたりすることで、比較的容易に、図３に示すように、図２の例に対してコートエリア（適用領域）を変更することできる。

これにより、例えば、ＰＭの酸化性能と、ＨＣやＣＯの酸化性能と、のバランスを比較的容易に変更することができたり、圧力損失を要求に応じて変更することができたり、更には触媒の適用面積（使用量）を変更することで白金等の高価な貴金属が含まれる触媒原料を調整して触媒化パティキュレートフィルタ５の製作コストを調整することができるため、要求に応じた適宜の性能を備えた触媒化ディーゼルパティキュレートフィルタを比較的容易に提供することが可能となる。

ところで、図３では、ＰＭ酸化触媒１０やＨＣ／ＣＯ酸化触媒２０の適用領域（コートエリア）を縮小した場合を例示しているが、例えば、縮小した領域（図３においてＰＭ酸化触媒１０やＨＣ／ＣＯ酸化触媒２０が適用されていない領域）に、種類の異なる触媒を１種或いは複数種適用することなども可能である。

また、本実施の形態においては、例えばアイドル運転など負荷の小さい機関運転領域では排気温度が低ため、酸化触媒の活性温度領域まで触媒温度を上昇或いは維持することができない場合があり、かかる場合においてもディーゼルパティキュレートフィルタ５を再生できるように、内燃機関１の燃料噴射装置（例えばコモンレール式噴射装置）を制御して、いわゆる燃料ポスト噴射（１回の燃焼のうち、メイン噴射後に行う噴射で、筒内で燃焼させずに排気と共に未燃の炭化水素ＨＣをディーゼルパティキュレートフィルタに供給することを狙った燃料噴射）を行わせることもできる。

なお、本実施の形態では、第１の触媒としてＰＭ酸化触媒１０を例示し、第２の触媒としてＨＣ／ＣＯ酸化触媒２０を例示したが、本発明は、これに限定されるものではなく、例えば排気処理装置に要求される特性を実現するために、第１の触媒、第２の触媒として採用する触媒の種類を適宜に変更することも可能である。

また、本実施の形態では、図１に示したように、ディーゼルパティキュレートフィルタ５の排気上流側に、ＰＭ酸化触媒を担持した酸化触媒装置４を介装した構成例について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、酸化触媒装置４を省略した構成とすることができると共に、排気処理装置に要求される種々の特性を実現するために、例えば酸化触媒装置４の代わりに他の種類の触媒等の排気処理装置を介装するように構成することも可能である。

本発明は、上述した発明の実施の形態に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。

１ディーゼルエンジン（内燃機関）
２排気通路
３過給機
４酸化触媒装置（ＰＭ酸化触媒装置）
５ディーゼルパティキュレートフィルタ
５Ａ排気流入側流路
５Ｂ排気流出側流路
５Ｃ多孔質薄壁
１０ＰＭ酸化触媒
２０ＨＣ／ＣＯ酸化触媒

Claims

燃焼装置から排気通路を介して排出される排気を処理する排気処理装置であって、
前記排気通路に介装され、前記燃焼装置から排出されるパティキュレートマターを捕集するパティキュレートフィルタを含んで構成され、
パティキュレートフィルタの排気流路であって、排気上流側が開口され排気下流側が目封じされた排気流入側流路の内壁に第１の触媒が適用され、
パティキュレートフィルタの排気流路であって、排気流入側流路へ流入した排気が多孔質壁を通過して流入するように排気上流側が目封じされると共に、排気下流側が開口された排気流出側流路の内壁に第２の触媒が適用された
ことを特徴とする排気処理装置。
前記第１の触媒が、パティキュレートマターの酸化に適したＰＭ酸化触媒であることを特徴とする請求項１に記載の排気処理装置。
前記第２の触媒が、ＨＣやＣＯの酸化に適したＨＣ／ＣＯ酸化触媒であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の排気処理装置。
前記第１の触媒の適用範囲が、排気流入側流路の内壁の一部に制限されていることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１つに記載の排気処理装置。
前記第２の触媒の適用範囲が、排気流出側流路の内壁の一部に制限されていることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１つに記載の排気処理装置。