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JP2000199423A - ディ―ゼルエンジンの排気ガス浄化装置 - Google Patents

ディ―ゼルエンジンの排気ガス浄化装置

Info

Publication number
JP2000199423A
JP2000199423A JP11000531A JP53199A JP2000199423A JP 2000199423 A JP2000199423 A JP 2000199423A JP 11000531 A JP11000531 A JP 11000531A JP 53199 A JP53199 A JP 53199A JP 2000199423 A JP2000199423 A JP 2000199423A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
exhaust gas
catalyst
dpf
oxidation catalyst
diesel engine
Prior art date
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Pending
Application number
JP11000531A
Other languages
English (en)
Inventor
Sei Kawatani
聖 川谷
Satoshi Hiranuma
智 平沼
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Motors Corp
Original Assignee
Mitsubishi Motors Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Motors Corp filed Critical Mitsubishi Motors Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置にお
いて、簡素な構成で排気ガス中の微粒子やNOX (特に
NO2 )を効果的に低減することができるようにする。 【解決手段】 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3,排
気ガス中の微粒子を捕集するパティキュレートフィルタ
4及びNOX 触媒7を上記の順序で直列に設けるととも
に、パティキュレートフィルタ4とNOX 触媒7との間
に、排気ガス中のNOX を還元するための添加剤を噴射
する添加装置5を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、自動車に用いて好
適の、ディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置に関す
る。
【0002】
【従来の技術】従来より、自動車に搭載されるディーゼ
ルエンジンにおいて、その排気通路を介して大気に放出
される排気ガス中の微粒子(PM:Particulate Matte
r)や、NOX (窒素酸化物)を低減する技術が種々開
発されている。例えば、特開平1−318715号公報
(従来技術1)には、図2に示すように、ディーゼルエ
ンジンの排気管に、再生用酸化触媒(以降、単に酸化触
媒という)3と、その排気ガス流れ下流側にPM捕集用
のディーゼルパティキュレートフィルタ(DPF:Dies
el Particulate Filter )4とを介設して、PMの低減
を行なう排気ガス浄化装置が開示されている。
【0003】なお、PMの主成分は、煤つまりC(炭
素),HC(炭化水素)及び可溶性有機成分(SOF:
Soluble Organic Fraction)であるが、エンジンの負荷
が高くなるにつれ、高温の排気ガスに晒されてHCやS
OFは気化し、したがって、CがPMの成分の殆どを占
めるようになる。このため、以降、PMといった場合
は、C(炭素)を示す。
【0004】さて、図2に示す構造により、酸化触媒3
では、排気ガス中のNO(一酸化窒素)が酸化されてN
2 (二酸化窒素)が生成され(2NO+O2 →2NO
2 )、一方、下流側のDPF4では、排気ガス中のPM
が捕集される。そして、DPF4に捕集されたPMは、
酸化触媒3により生成されたNO2 によって酸化されて
CO又はCO2 となって(NO2 +C→NO+CO,2
NO2+C→2NO+CO2 )、PMの低減が行なわれ
るようになっている。
【0005】また、この技術では、DPF4に堆積した
PMが連続的に低減されるので、過剰にPMが堆積して
DPF4がPMの捕集を行なえなくなることが防止され
て、DPF4の性能が維持される。つまり、連続的にD
PF4の再生処理が行なわれるのである。ところで、N
2 は、NOに比べ酸化剤としての機能が高く、低い活
性化エネルギでPMを酸化させる(つまり比較的低い温
度でPMを燃焼させる)ことができるが、ディーゼルエ
ンジンから排気ガス浄化装置に流入する排気ガスに含ま
れるNO2 は、NOの10%程度に過ぎない。このた
め、DPF4の排気ガス流れ上流側に酸化触媒3を設置
して、この酸化触媒3により排気ガス中のNOを酸化し
てNO2 を生成しているのである。
【0006】そして、このNO2 によりPMを比較的に
低い温度で酸化(燃焼)させることで、加熱装置として
電気ヒータやバーナ等を用いることなく、排気ガス自体
の温度を利用して、PMの低減を図ることができるので
ある。また、特開平4−141218号公報(従来技術
2)には、排気管内に設置されて、排気ガス流れ上流側
から、電気ヒータ,DPF及びNOX 触媒をこの順に直
列に設けて構成される排気ガス浄化装置が開示されてい
る。
【0007】このような構成により、電気ヒータにより
排気ガスが加熱されて排気ガス中のPMの一部が燃焼
し、残りのPMは、DPFにより捕集される。また、D
PFには酸化触媒金属が担持されており、DPFに捕集
されたPMは、この酸化触媒金属により酸化されて除去
されるのである。また、NOX 触媒には、吸蔵剤と還元
触媒金属とが併せて担持されており、排気ガスが所定温
度以下のときには、NOX は吸蔵剤によって吸蔵され
る。そして、排気ガスが所定温度よりも高くなったとき
には、吸蔵剤は吸蔵したNOX を放出し始めるが、この
ように排気ガスが所定温度よりも高くなったときには、
還元触媒金属が活性化されており、吸蔵剤から放出され
たNOX は、この還元触媒金属により還元される。
【0008】さらに、特開平4−50421号公報(従
来技術3)には、排気管内に、排気ガス流れ上流側か
ら、DPF及びNOX 触媒がこの順序で直列に設けられ
て構成される排気ガス浄化装置や、DPF,NOX 触媒
及び酸化触媒がこの順序で直列に設けられて構成される
排気ガス浄化装置が開示されている。このような構成に
より、DPF及びNOX 触媒により排気ガス中のPM及
びNOX がそれぞれ低減され、酸化触媒を設けている場
合には、さらに、この酸化触媒により排気ガス中のHC
及びCOが酸化されて排気ガスが浄化されるのである。
また、これらの排気ガス浄化装置は、何れも空気噴射装
置により構成される再生装置をそなえており、この再生
装置を用いて、排気ガス浄化装置内に、空気を排気ガス
流れと逆方向に瞬間的に流すことにより、DPF内に堆
積したPMを除去するようになっている。
【0009】また、特開平5−195756号公報(従
来技術4)には、排気ガス流れ上流側から、第1の酸化
触媒,NOX 触媒及び第2の酸化触媒を、排気管内にこ
の順序で直列に設けるとともに、第1の酸化触媒とNO
X 触媒との間に、HC(還元剤)を排気ガス中に供給す
る還元剤供給装置を設けて構成される排気ガス浄化装置
が開示されている。
【0010】このような構成により、第1の酸化触媒に
より排気ガス中のNOを還元反応性の高いNO2 に酸化
し、このNO2 と還元剤供給装置から噴射された還元剤
とが、NOX 触媒で反応して、NO2 (NOX )が還元
されNOX の排出が低減されるようになっている。そし
て、NOX 触媒でNO2 と反応せずに余剰となったHC
は、第2の酸化触媒により酸化されて無害化されるよう
になっている。
【0011】さらに、特開平9−53442号公報(従
来技術5)には、排気ガス流れ上流側から、酸化触媒,
DPF及びNOX 触媒を、排気管内にこの順序で直列に
設けて構成される排気ガス浄化装置が開示されている。
そして、このような構成により、酸化触媒で排気ガス中
のNOをNO2 に酸化し、この酸化機能の高いNO2
DPF内に堆積したPMとを反応させてPM(C:炭
素)を低減するようにしている。
【0012】また、DPF内に堆積したPMと反応せず
に余剰となったNO2 は、NOX 触媒で排気ガス中に含
まれるHCと反応して還元されるようになっている。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
従来技術1〜5の各排気ガス浄化装置においては、それ
ぞれ以下のような課題がある。まず、従来技術1では、
酸化触媒3によりNOを酸化してNO2 を生成し、この
酸化機能の高いNO2 により、DPF4内に堆積したP
Mを燃焼するようになっている。ここで、NO2 はNO
に比べて人体に及ぼす影響が強いが、排気ガスがDPF
4を通過する時間が僅かであること及びNO2 に比べて
PMの量が少ないことから、DPF4に堆積したPMと
接触してNOに還元されるNO2 は一部(例えば、約2
0%)であり、大半がNO2 のまま外部に排出されてし
まうという課題がある。
【0014】また、従来技術2では、排気ガス全量を加
熱してDPF内に堆積したPMを燃焼させる(DPFの
再生処理を行なう)べく電気ヒータをそなえているが、
この電気ヒータにより、消費電力が多くなってしまうと
いう課題がある。また、電気ヒータの設置により、排気
ガス浄化装置が大型化して車体への搭載性が悪くなって
しまうという課題もある。さらに、再生処理の際の電気
ヒータの加熱による熱的負荷のためにDPFの寿命が短
くなってしまうという課題もある。
【0015】また、従来技術3では、排気ガス浄化装置
内に瞬間的に空気を流すことによりPMを除去する(D
PFの再生処理を行なう)ため、所定のタイミングや空
気量等で空気を流すための複雑な制御が必要になるとい
う課題がある。さらに、排気ガスに加熱されて高温状態
のDPF,NOX 触媒及び酸化触媒に温度の低い空気を
流すため、DPF,NOX 触媒及び酸化触媒が急冷され
て耐久性が低下してしまう(DPFの寿命が短くなって
しまう)虞がある。また、瞬間的に空気を流すだけで
は、空気の流速分布によっては、DPF内にPMが除去
されない部分が生じてしまう(DPFの再生処理の信頼
性が低い)という課題もある。
【0016】さらに、従来技術4では、主に排気ガス中
のNOX を低減するだけであって、PMについては、低
負荷時に排気ガス中にPMとして存在するHCやSOF
を酸化触媒により酸化して低減できるものの、PMの主
成分であるC(炭素)を除去することができないという
課題がある。また、従来技術5では、DPF内のPMと
反応せずに余剰となったNO2 は、NOX 触媒で排気ガ
ス中に含まれるHCと反応して還元されるようになって
いるが、排気ガス中に含まれるHCは僅かであるため、
HCと反応せずに大半がNO 2 のまま排出されてしまう
という課題がある。
【0017】本発明は、このような課題に鑑み創案され
たもので、簡素な構成で排気ガス中の微粒子やNO
X (特にNO2 )を効果的に低減することができるよう
にした、ディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置を提供
することを目的とする。
【0018】
【課題を解決するための手段】このため、請求項1記載
の本発明のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置で
は、排気ガス中のNOを酸化触媒により酸化してNO2
とし、酸化機能の高いNO2 とパティキュレートフィル
タに堆積した微粒子とを反応させて微粒子を低減する。
また、このときに、パティキュレートフィルタで微粒子
と反応せずに余剰となったNO2 は、パティキュレート
フィルタの下流側に設けられたNOX 触媒で、添加装置
により噴射された添加剤により効果的にN2 又はNOに
還元され、これによりNO2 (NOX )が低減する。
【0019】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態として
のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置について図1
を参照しながら説明する。本実施形態におけるディーゼ
ルエンジンの排気ガス浄化装置は、図1に示すように、
排気管(排気通路)1内に介設されて、排気管1内を流
れる排気ガス中の微粒子(PM:Particulate Matter)
やNOX を低減するものである。
【0020】そして、本実施形態の排気ガス浄化装置
は、酸化触媒3と、ディーゼルパティキュレートフィル
タ(DPF:Diesel Particulate Filter )4と、NO
X 触媒7とを、排気ガスの流れに対し上流側から、この
順に直列に設けて構成されている。また、DPF4とN
X 触媒7との間には、燃料添加ノズル(添加装置)5
が設置されており、排気ガス中のNOX を還元させるた
めの添加剤としてHCを主成分とする軽油を噴射するよ
うになっている。さらに、燃料添加ノズル5とNOX
媒7との間には、排気ガスと燃料添加ノズル5から噴射
された軽油とが十分に混合されるようにミキサ6が設け
られている。ここで、ミキサ6は、下方に向けて装置の
上面に付設される板6aと、上方に向けて装置の下面に
付設される板6bとが、所定の間隔を空けながら交互に
配置されて構成されており、これらの板6a,6bが、
排気ガス流れに対して垂直方向に立設して、排気ガスと
軽油とを攪拌するようになっている。
【0021】そして、本実施形態のディーゼルエンジン
の排気ガス浄化装置では、酸化触媒3で排気ガス中の主
成分であるNOをNO2 に酸化させ、DPF4内でこの
NO 2 とPM(C:炭素)とを反応させて、NO2 をN
Oに還元するとともにPMをCO2 あるいはCOに酸化
するようになっている。また、酸化触媒3で生成された
NO2 のうちDPF4内でPMと反応しなかった余剰の
NO2 は、燃料添加ノズル5から噴射された軽油によ
り、NOX 触媒7でN2 又はNOに還元されるようにな
っている。
【0022】ここで、酸化触媒3は、触媒担持層として
アルミナ(Al2 3 )をハニカム状の基材にコーティ
ングし、この触媒担持層に白金(Pt)又はパラジウム
(Pd)等を担持させたものであり、アルミナ(Al2
3 )のコーティングは、排気ガスとの接触面積が多く
なるように表面を粗くするためのものである。そして、
この酸化触媒3へ、NOを主成分とした排気ガスが流れ
込むと、酸化触媒3では、以下の反応式(1)のような
反応が促進されるようになっている。
【0023】 2NO+O2 →2NO2 ・・・(1) ここで、NO2 はNOに比べて酸化剤としての機能が高
く、低い活性化エネルギでPMを酸化させることができ
る。このため、酸化触媒3により排気ガス中のNOをN
2 へと酸化させて、このNO2 により、酸化触媒3の
下流側のDPF4に捕集されたPMを酸化(燃焼)させ
るようにしているのである。
【0024】また、DPF4は、セラミック製ハニカム
型フィルタであり、DPF4内では、上流側端部が閉塞
され下流側端部が開放された排気ガス通路と、上流側端
部が開放され下流側端部が閉塞された排気ガス通路とが
交互に配列され、隣接する排気ガス通路間には多孔質の
壁面が形成されている。このため、DPF4に流れ込む
排気ガスは、まず、上流側端部が開放され下流側端部が
閉塞された排気ガス通路に流入し、次に、隣接する排気
ガス通路との間に設けられた多孔質の壁面から上流側端
部は閉塞されているが下流側端部が開放された排気ガス
通路に流入して下流側に流出する。この過程において、
排気ガス中のPMは、壁面に衝突したり吸着されたりし
て捕集されるようになっている。
【0025】そして、DPF4へは、上述した酸化触媒
3の作用により、NO2 を比較的多く含んだ排気ガスが
流れ込むので、DPF4内では以下の反応式(2)又は
反応式(3)のような酸化反応が連続的に行なわれるよ
うになっている。 2NO2 +C→2NO+CO2 ・・・(2) NO2 +C→NO+CO ・・・(3) つまり、DPF4に堆積したPMをNO2 により酸化
(燃焼)させることにより、連続的に、PMをCO又は
CO2 にしてDPF4から除去するとともに排気ガス中
のNO2 をNOに還元しているのである。
【0026】なお、このようなDPF4に堆積したPM
の連続的な除去は、堆積していくPMを除去することに
より、過剰にPMがDPF4に堆積してPMの捕集を行
なえなくなることを防止して、DPF4の性能を維持す
るというDPF4の再生処理機能をも担っている。した
がって、DPF4は連続的に再生処理が行なわれている
といえる。また、PMの除去(DPF4の再生処理)に
必要なNO2 を生成する酸化触媒3を再生用酸化触媒と
もいう。
【0027】しかし、従来技術1でも説明したように、
排気ガスがDPF4を通過する時間が僅かであること及
びDPF4に堆積するPMは排気ガス中のNO2 に比べ
ると微量であることから、DPF4に堆積したPMと接
触して上記の反応式(2)又は(3)で示す反応を起こ
してNOに還元されるNO2 は一部であり、大半がNO
2 のままDPF4から流れ出てしまう。
【0028】そこで、本ディーゼルエンジンの排気ガス
浄化装置では、DPF4の排気ガス流れ下流側にNOX
触媒7を設け、このNOX 触媒7により、NO2 を還元
するようにしている。そして、このNOX 触媒7はNO
2 とHCとの反応を促進してNO2 をN2 又はNOに還
元するものであるが、排気ガスに含まれるHCは微量で
あるため、NO2 の還元に必要な量のHCが含まれるよ
うに、燃料添加ノズル5を設け、この燃料添加ノズル5
により、C1634又はC1635等のHCを主成分とする
軽油を、所定量〔例えば、主燃料(燃料室内での燃焼の
ための燃料)の2〜5%程度〕NOX 触媒7の上流側で
排気ガス中に噴射するようにしているのである。
【0029】なお、燃料添加ノズル5とNOX 触媒7と
の間にはミキサ6が設けられており、排気ガスと燃料添
加ノズル5から噴射された軽油とが、NOX 触媒7に流
入する前に十分に混合されるようになっている。ここ
で、上述した通りNO2 は酸化機能が高い(即ち、還元
反応性が高い)ので、排気ガス中の殆どのNO2 が、以
下の反応式(4),(5)のいずれかの反応により、N
X 触媒7でNOまたはN2 に還元されるようになって
いる。 NO2 +HC→N2 +CO2 +H2 O ・・・(4) NO2 +HC→NO+CO2 +H2 O ・・・(5)
【0030】なお、この反応式(4),(5)では、軽
油の主成分であるC1634やC16 35等を、便宜的に一
括してHC〔不特定数のH(水素)及びC(炭素)から
なる炭化水素の総称〕で表している。したがって、これ
らの反応式は、単に、反応を起こす物質及び反応によっ
て生じる物質が何であるかを示すものであり、これらの
反応式では、左辺と右辺とで各元素の数は一致しない。
【0031】本発明の一実施形態の排気ガス浄化装置
は、上述のように構成されているので、DPF4で排気
ガス中のPMが捕集されると、このPMは、酸化触媒3
で生成されたNO2 によりCO又はCO2 に酸化され、
これによりPMが低減される。このとき、NO2 はNO
に還元される。また、DPF4でPMと反応せずに余剰
となったNO2 は、DPF4の下流側のNOX 触媒7
で、燃料添加ノズル5により噴射された軽油(HC)と
反応して、効果的にN2 又はNOに還元される。このと
き、ミキサ6により排気ガスと軽油(HC)との混合が
促進されるため、NO2 が効率よく還元される。
【0032】したがって、人体への影響の強いNO2
車外に排出することなく、PMやNOX を効果的に低減
することができるという利点がある。また、酸化触媒3
により生成されたNO2 によりDPF4内のPMの除去
(DPF4の再生処理)が連続的に行なわれるので、D
PF4の再生処理が略確実に行なわれる(再生処理の信
頼性が高い)という利点もある。
【0033】また、DPF4内のPMの除去(再生処
理)を行なうには、DPF4に堆積したPMを燃焼させ
る必要があるが、PMを燃焼させるには、かなりの高温
(例えば、600℃程度)が必要とされ、通常の排気ガ
スの温度(ディーゼルエンジンでは、例えば、250℃
程度)では、PMを燃焼させることができない。このた
め、一般的に、加熱装置として電気ヒータやバーナ等が
必要となる。これに対して、本発明のディーゼルエンジ
ンの排気ガス浄化装置によれば、排気ガス中のNOを酸
化触媒3により酸化してNO2 を生成し、この酸化機能
の高いNO2 と、DPF4上のPMとを反応させること
により、排気ガス自体の温度でPMを燃焼することが可
能となる。
【0034】このため、加熱装置として電気ヒータやバ
ーナ等を設置する必要がないので、装置自体を簡素な構
成とすることができ、また、排気ガス浄化装置を設置す
るための空間を小さくして、省スペース化を図る(車両
への搭載性を向上させる)ことができるという利点があ
る。さらに、加熱装置に対する制御や電力供給を不要と
することができるという利点もある。また、再生処理に
よる熱的負荷が小さくなって、DPF4の寿命が延長さ
れるという利点もある。
【0035】なお、本発明のディーゼルエンジンの排気
ガス浄化装置は、上述の実施形態に限定されるものでは
なく、種々変形して実施することができる。例えば、本
実施形態では、燃料添加ノズル5から噴射される軽油の
量を変化させるような制御は行なっていないが、例え
ば、排気ガスの温度や、排気ガス中のNOX の濃度等に
応じて軽油の噴射量を可変制御するようにしてもよい。
【0036】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明のディーゼ
ルエンジンの排気ガス浄化装置によれば、排気ガス中の
NOを酸化触媒により酸化してNO2 とし、この酸化機
能の高いNO2 とパティキュレートフィルタに堆積した
微粒子とを反応させて微粒子を低減することができる。
また、このときに、パティキュレートフィルタで微粒子
と反応せずに余剰となったNO2 は、パティキュレート
フィルタの下流側に設けられたNOX 触媒で、添加装置
により噴射された添加剤により、効果的にN2 又はNO
に還元され、これによりNOX を低減することができ
る。
【0037】したがって、人体への影響の強いNO2
外部に排出することなく、微粒子やNOX を効果的に低
減することができるという利点があるほか、酸化触媒に
より生成されたNO2 によりパティキュレートフィルタ
内の微粒子の除去(パティキュレートフィルタの再生処
理)が連続的に行なわれるので、パティキュレートフィ
ルタの再生処理が略確実に行なわれる(再生処理の信頼
性が高い)という利点もある。
【0038】また、従来は、パティキュレートフィルタ
の再生処理を行なうべく、一般的に加熱装置として電気
ヒータやバーナ等が必要であったが、本発明のディーゼ
ルエンジンの排気ガス浄化装置によれば、上述のように
酸化機能の高いNO2 とパティキュレートフィルタ内の
微粒子とを反応させることにより、排気ガス自体の温度
で微粒子を燃焼することが可能となり、電気ヒータやバ
ーナ等を設置する必要がなくなる。したがって、装置自
体を簡素な構成とすることができ、また、排気ガス浄化
装置を設置するための空間を小さくして、省スペース化
を図る(車両への搭載性を向上させる)ことができると
いう利点もある。さらに、加熱装置に対する制御や電力
供給を不要とすることができるという利点もある。ま
た、再生処理による熱的負荷が小さくなって、パティキ
ュレートフィルタの寿命が延長されるという利点もあ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態としてのディーゼルエンジ
ンの排気ガス浄化装置の構成を示す模式図である。
【図2】従来のDPFを用いた排気ガス浄化装置の構成
を一部破断して示す斜視図である。
【符号の説明】
1 排気管(排気通路) 3 再生用酸化触媒(酸化触媒) 4 ディーゼルパティキュレートフィルタ(DPF) 5 燃料添加ノズル(添加装置) 7 DE−NOX 触媒(NOX 触媒)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 3G090 AA02 BA01 EA02 3G091 AA02 AA18 AB02 AB05 AB13 BA07 BA14 CA18 EA17 EA33 GA06 GA21 GB01X GB06W GB07W GB10X GB17X HA10 HA15 HA16 HA46 HA47

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 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ィルタ及びN
    X 触媒が上記の順序で直列に設けられるとともに、 該パティキュレートフィルタと該NOX 触媒との間に、
    該排気ガス中のNOXを還元するための添加剤を噴射す
    る添加装置が設けられていることを特徴とする、ディー
    ゼルエンジンの排気ガス浄化装置。
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