JP2005090450A

JP2005090450A - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP2005090450A
Application number: JP2003328341A
Authority: JP
Inventors: Tatsuoki Igarashi; 龍起五十嵐
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2003-09-19
Filing date: 2003-09-19
Publication date: 2005-04-07
Also published as: WO2005028824A1; EP1669564A1; US20070137186A1; US7421839B2

Abstract

【課題】電力消費量が少なくて済み且つ有害ガスを大気中に排出することのない加熱再生型の排気浄化装置を実現する。
【解決手段】排出ガス２を通過させて該排出ガス２中のパティキュレートを捕集する多孔質のフィルタ本体７に、該フィルタ本体７を加熱し得るよう電気ヒータ９を装備して加熱再生型パティキュレートフィルタ１０を構成し、該加熱再生型パティキュレートフィルタ１０を排気管３途中のフィルタケース１１，１２内に収容すると共に、該フィルタケース１１，１２内における前記加熱再生型パティキュレートフィルタ１０の前後位置に、該加熱再生型パティキュレートフィルタ１０に対し保温効果が得られるように酸化触媒１３，１４を近接配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディーゼルエンジン等の内燃機関の排出ガス中からパティキュレートを除去する排気浄化装置に関するものである。

ディーゼルエンジンから排出されるパティキュレート（Particulate Matter：粒子状物質）は、炭素質から成る煤と、高沸点炭化水素成分から成るＳＯＦ分（Soluble Organic Fraction：可溶性有機成分）とを主成分とし、更に微量のサルフェート（ミスト状硫酸成分）を含んだ組成を成すものであるが、この種のパティキュレートの低減対策として、図４に示す如く、ディーゼルエンジン１からの排出ガス２が流通する排気管３の途中にパティキュレートフィルタ４を装備することが考えられている。

図５に詳細に示す如く、このパティキュレートフィルタ４は、コージェライト等のセラミックで製作された多孔質ハニカム構造のフィルタ本体７を主構成とし、このフィルタ本体７における格子状に区画された各流路５の入口が栓体８により交互に目封じされ、入口が目封じされていない流路５については、その出口が栓体８により目封じされるようになっており、各流路５を区画する多孔質薄壁６を通過した排出ガス２のみが下流側へ排出されて、前記多孔質薄壁６の内側表面にパティキュレートが捕集されるようにしてある。

そして、排出ガス２中のパティキュレートは、前記多孔質薄壁６の内側表面に捕集されて堆積し、排気温度が高い運転領域に移行した際に自然燃焼して除去されるようになっているが、例えば、都内の路線バス等のように渋滞路ばかりを走行するような車両では、必要な所定温度以上での運転が長く継続しないため、パティキュレートの処理量よりも堆積量の方が上まわり、パティキュレートフィルタ４が目詰まりを起こす虞れがあった。

このため、排気温度が低い運転領域でもパティキュレートを良好に燃焼除去し得るよう電気ヒータを装備させることが検討されており、この種の電気ヒータにより積極的な加熱を行えば、排気温度が低い運転領域でもパティキュレートを良好に燃焼除去することが可能となる。

尚、電気ヒータを装備した加熱再生型パティキュレートフィルタについては、例えば、本発明と同じ出願人により下記の特許文献１等が既に提案されている。
特開昭６２−２５５５１２号公報

しかしながら、このような電気ヒータを利用する従来提案にあっては、パティキュレートフィルタ４の再生に要する電力消費量が多いために、既存の車両用バッテリで賄いきれない程の大容量電源が必要となり、しかも、消費した電力分に見合う充電が必要となることで燃費の悪化を招くという問題があった。

また、パティキュレートフィルタ４の再生時に、パティキュレートが比較的低温で焼却されることになるため、高濃度のＣＯやＨＣ等の有害ガスが発生して大気中に排出される懸念もあった。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、電力消費量が少なくて済み且つ有害ガスを大気中に排出することのない加熱再生型の排気浄化装置を実現することを目的としている。

本発明は、排出ガスを通過させて該排出ガス中のパティキュレートを捕集する多孔質のフィルタ本体に、該フィルタ本体を加熱し得るよう電気ヒータを装備して加熱再生型パティキュレートフィルタを構成し、該加熱再生型パティキュレートフィルタを排気管途中のフィルタケース内に収容すると共に、該フィルタケース内における前記加熱再生型パティキュレートフィルタの前後位置に、該加熱再生型パティキュレートフィルタに対し保温効果が得られるように酸化触媒を近接配置したことを特徴とする排気浄化装置、に係るものである。

而して、このようにすれば、フィルタケースに流入した排出ガスが前段の酸化触媒を通過する際に、前記排出ガス中のＮＯxの大半を占めるＮＯが反応性の高いＮＯ₂となり、排気温度が約２５０℃以上となる運転条件下でパティキュレートの酸化反応が大幅に促進されて良好に燃焼除去されることになる。

ただし、市街地の渋滞路を走行する場合の如き排気温度が２５０℃を大きく下まわるような軽負荷での運転条件が長く継続すると、パティキュレートの良好な燃焼除去が望めなくなるので、パティキュレートの堆積量が所定量以上となっているものと推定（フィルタ本体の入側と出側の差圧や運転時間等から推定すれば良い）された頃合で電気ヒータに対し通電を行い、該電気ヒータを発熱させてフィルタ本体を積極的に加熱させる。

このように電気ヒータによりフィルタ本体を積極的に加熱すると、該フィルタ本体に捕集されたパティキュレートの酸化反応が、前記電気ヒータによる積極的な加熱を受けて促進され、排気温度が低い運転条件でもパティキュレートが良好に燃焼除去されることになる。

この際、加熱再生型パティキュレートフィルタは、同じフィルタケース内で前後を酸化触媒により挟み込まれて断熱された状態にあるので、電気ヒータによる加熱でフィルタ本体が急速に温度上昇し、これによりパティキュレートが焼却され易くなる結果、従来より短い通電時間でパティキュレートの焼却を完了することが可能となり、消費電力が従来より少なくて済むことになる。

また、このような電気ヒータの加熱を受けてパティキュレートが比較的低温で焼却されることで生じた高濃度のＣＯやＨＣ等の有害ガスは、後段の酸化触媒を通過する際に無害なＣＯ₂やＨ₂Ｏに酸化処理されて排出されることになる。

更に、本発明においては、フィルタケースに対し排出ガスを適宜に迂回させて流し得るように構成することが好ましく、このようにすれば、排出ガスを迂回させて該排出ガスの流れに晒されない状態にて電気ヒータによる加熱を行い、該電気ヒータの発熱量を排出ガスに奪われることなく効率良くフィルタ本体に与えることが可能となる。

また、フィルタケースを並列に複数個設け、任意のフィルタケースに対し排出ガスを適宜に迂回させて流し得るように構成しても良く、このようにすれば、任意のフィルタケースを迂回させて排出ガスを他のフィルタケースに流している間に、前記任意のフィルタケース内の電気ヒータを発熱させてフィルタ本体の再生を図り、前記他のフィルタケース内のフィルタ本体によりパティキュレートの捕集を継続させることが可能となる。

尚、このようにフィルタケースに対し排出ガスを迂回させながら電気ヒータによる加熱を行う場合には、排出ガスが迂回しているフィルタケースに対し燃焼用空気を適宜に導き得るように構成すると良く、このようにすれば、フィルタ本体内部の酸化雰囲気が高められて捕集済みパティキュレートが更に燃え易くなる。

また、本発明においては、フィルタ本体に酸化触媒を一体的に担持せしめると良く、このようにすれば、フィルタ本体に捕集されたパティキュレートの酸化反応が促進されて着火温度が低下し、排気温度が低い運転状態でのパティキュレートの燃焼性が更に高められる結果、パティキュレートのより一層良好な燃焼除去が実現される。

尚、本発明をより具体的に実施するに際しては、排出ガスが流通する多数の流路をハニカム状に形成し且つ前記各流路の入口側と出口側を交互に目封じしたフィルタ本体を採用することが可能であり、更には、このようなフィルタ本体を採用した場合に、該フィルタ本体の少なくとも前端面に電気ヒータを装着すると良い。

上記した本発明の排気浄化装置によれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。

（Ｉ）軽負荷運転時等における排気温度の低い運転状態であっても、フィルタ本体に捕集されたパティキュレートを電気ヒータの加熱により効果的に燃焼除去することができ、しかも、前後の酸化触媒による保温効果によりフィルタ本体を急速に温度上昇させてパティキュレートを焼却し易い環境とすることができるので、従来より短い通電時間でパティキュレートの燃焼除去を完了することができ、これにより消費電力の大幅な低減化を図ることができる。

（ＩＩ）パティキュレートを電気ヒータの加熱により比較的低温で焼却することにより生じた高濃度のＣＯやＨＣ等の有害ガスを、後段の酸化触媒を通過させることで無害なＣＯ₂やＨ₂Ｏに酸化処理して排出することができ、最終的に大気中へ排出される排出ガス中に有害ガスが残存してしまう虞れを未然に回避することができる。

（ＩＩＩ）前段の酸化触媒を通過させることで排出ガス中のＮＯxの大半を占めるＮＯを反応性の高いＮＯ₂とすることができるので、排気温度が比較的高い運転条件下でのパティキュレートの酸化反応を大幅に促進することができ、これにより電気ヒータによる加熱を加えない場合でのパティキュレートの自然燃焼を促して良好な燃焼除去を図ることができる。

（ＩＶ）フィルタケースに対し排出ガスを適宜に迂回させて流し得るように構成した場合には、フィルタ本体を排出ガスの流れに晒されない状態として電気ヒータにより効率の良い加熱を行うことができるので、より一層短い通電時間でパティキュレートの燃焼除去を完了することができ、これにより消費電力の更に大幅な低減化を図ることができる。

（Ｖ）フィルタケースを並列に複数個設け、任意のフィルタケースに対し排出ガスを適宜に迂回させて流し得るように構成した場合には、任意のフィルタケースのフィルタ本体を再生させている間に、他のフィルタケースのフィルタ本体でパティキュレートの捕集を継続することができるので、常に何れかのフィルタケースのフィルタ本体を使用可能な状態として連続的にパティキュレートの低減化を図ることができる。

（ＶＩ）排出ガスが迂回しているフィルタケースに対し燃焼用空気を適宜に導き得るように構成した場合には、フィルタ本体内部の酸化雰囲気を高めて捕集済みパティキュレートを更に燃え易くすることができるので、より一層短い通電時間でパティキュレートの燃焼除去を完了することができ、これにより消費電力の更に大幅な低減化を図ることができる。

（ＶＩＩ）フィルタ本体に酸化触媒を一体的に担持せしめた構成を採用した場合には、フィルタ本体に捕集されたパティキュレートの酸化反応を酸化触媒により促進することができるので、排気温度が低い運転領域にて、より一層確実なパティキュレートの燃焼除去を実現することができる。

以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１及び図２は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図４及び図５と同一の符号を付した部分は同一物を表している。

図１及び図２に示す如く、本形態例の排気浄化装置においては、先の図５で示したものと同じ構造を採用した炭化珪素製のフィルタ本体７の前端面に、シーズドヒータ等から成る電気ヒータ９を装備して構成した加熱再生型パティキュレートフィルタ１０を使用するが、ここでは排気管３の途中を二つの流路に分離して構成し、その夫々の流路にフィルタケース１１，１２を並列に対で装備して両フィルタケース１１，１２の夫々に前記加熱再生型パティキュレートフィルタ１０を収容させた場合で例示してある。

そして、各フィルタケース１１，１２内における加熱再生型パティキュレートフィルタ１０の前後位置には、該加熱再生型パティキュレートフィルタ１０に対し保温効果が得られるように酸化触媒１３，１４が近接配置されている。

ここで、これら前後の酸化触媒１３，１４は、コージェライト等のセラミックで製作されたハニカム構造の担体に白金を適量担持させたフロースルー型式のものであるが、後段の酸化触媒１４の容積及び白金担持量については、前段の酸化触媒１３より少なくした仕様として良い。

尚、前述した各フィルタケース１１，１２におけるフィルタ本体７には、該フィルタ本体７に捕集されたパティキュレートの酸化反応を促進する目的で酸化触媒を一体的に担持させても良い。

更に、各フィルタケース１１，１２の入側には、排気管３を流れる排出ガス２を各フィルタケース１１，１２の何れか一方に選択的に振り分け得るよう排気シャッタ１５，１６が夫々設けられており、これら各排気シャッタ１５，１６は、エアタンク１７から電磁弁１８，１９を介して導いた加圧空気により駆動されるエアシリンダ２０，２１により開閉作動されるようにしてある。

また、前記各排気シャッタ１５，１６の直後には、エアポンプ２２の駆動により大気中から取り込んだ燃焼用空気を電磁弁２３，２４を介して各フィルタケース１１，１２の入口に導くエア導入管２５，２６が挿入設置されている。

尚、図中２７，２８は圧力センサ、２９，３０は温度センサ、３１，３２はヒータ用リレー、３３はポンプ用リレー、３４はバッテリ、３５はエンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を成す制御装置を示す。

而して、例えば、図１に図示されている通り、排気シャッタ１６を閉じ且つ排気シャッタ１５を開けて一方のフィルタケース１１に排出ガス２を流しながら運転を行うと、このフィルタケース１１に流入した排出ガス２が前段の酸化触媒１３を通過する際に、前記排出ガス２中のＮＯxの大半を占めるＮＯが反応性の高いＮＯ₂となり、排気温度が約２５０℃以上となる運転条件下でパティキュレートの酸化反応が大幅に促進されて良好に燃焼除去されることになる。

ただし、市街地の渋滞路を走行する場合の如き排気温度が２５０℃を大きく下まわるような軽負荷での運転条件が長く継続すると、パティキュレートの良好な燃焼除去が望めなくなるので、圧力センサ２７，２８の検出値に基づきフィルタケース１１のフィルタ本体７におけるパティキュレートの堆積量が所定量以上となっているものと推定（フィルタ本体７の入側と出側の差圧から推定）された際に、制御装置３５により電磁弁１８を開けて排気シャッタ１５を閉じ且つ電磁弁１９を閉じて排気シャッタ１６を開け、これにより排出ガス２を他方のフィルタケース１２へ迂回させてフィルタケース１１のフィルタ本体７が排出ガス２の流れに晒されない状態とし、然る後、ヒータ用リレー３１の接点を閉じてフィルタケース１１内の電気ヒータ９に対し通電を行い、該電気ヒータ９を発熱させてフィルタケース１１内のフィルタ本体７を積極的に加熱させる。

次いで、前記電気ヒータ９によりフィルタ本体７を積極的に加熱することで温度センサ２９により検出される排気温度が所定値に到達したら、制御装置３５によりポンプ用リレー３３の接点を閉じてエアポンプ２２を駆動し且つ電磁弁２３を開けて前記エアポンプ２２からの燃焼用空気をエア導入管２５を介しフィルタケース１１の入口に導く。

そして、このように排出ガス２を迂回させつつフィルタケース１１の入口に燃焼用空気を導いて電気ヒータ９による加熱を継続すると、電気ヒータ９の発熱量が排出ガス２に奪われることなく効率良くフィルタ本体７に与えられて該フィルタ本体７が効果的に加熱され、該フィルタ本体７に捕集されたパティキュレートの酸化反応が促進されることになり、しかも、フィルタ本体７周囲の酸化雰囲気が高められて捕集済みパティキュレートが燃え易くなる。

この際、加熱再生型パティキュレートフィルタ１０は、同じフィルタケース１１，１２内で前後を酸化触媒１３，１４により挟み込まれて断熱された状態にあるので、捕集済みパティキュレートの酸化反応が始まることでフィルタ本体７が急速に温度上昇し、これによりパティキュレートがより一層焼却され易くなる結果、従来より短い通電時間でパティキュレートの焼却を完了することが可能となり、消費電力が従来より少なくて済むことになる。

また、このような電気ヒータ９の加熱を受けてパティキュレートが比較的低温で焼却されることで生じた高濃度のＣＯやＨＣ等の有害ガスは、後段の酸化触媒１４を通過する際に無害なＣＯ₂やＨ₂Ｏに酸化処理されて排出されることになる。

尚、一方のフィルタケース１１のフィルタ本体７における再生が完了した後、長時間に亘る運転期間を経て他方のフィルタケース１２のフィルタ本体７におけるパティキュレートの堆積量が所定量以上となっているものと推定されたら、前記フィルタケース１２側について、前述と同様の手順によりフィルタ本体７の再生を図るようにすれば良い。

より具体的には、制御装置３５により電磁弁１８を閉じて排気シャッタ１５を開け且つ電磁弁１９を開けて排気シャッタ１６を閉じ、これにより今度は排出ガス２を一方のフィルタケース１１へ迂回させ、ヒータ用リレー３２の接点を閉じてフィルタケース１２内の電気ヒータ９に対し通電を行い、該電気ヒータ９を発熱させてフィルタケース１２内のフィルタ本体７を積極的に加熱させ、然る後に、温度センサ３０により検出される排気温度が所定値に到達したら、制御装置３５によりポンプ用リレー３３の接点を閉じてエアポンプ２２を駆動し且つ電磁弁２４を開けて前記エアポンプ２２からの燃焼用空気をエア導入管２６を介しフィルタケース１２の入口に導くようにすれば良い。

従って、上記形態例によれば、軽負荷運転時等における排気温度の低い運転状態であっても、フィルタ本体７に捕集されたパティキュレートを電気ヒータ９の加熱により効果的に燃焼除去することができ、しかも、前後の酸化触媒１３，１４による保温効果によりフィルタ本体７を急速に温度上昇させてパティキュレートを焼却し易い環境とすることができるので、従来より短い通電時間でパティキュレートの燃焼除去を完了することができ、これにより消費電力の大幅な低減化を図ることができる。

また、パティキュレートを電気ヒータ９の加熱により比較的低温で焼却することにより生じた高濃度のＣＯやＨＣ等の有害ガスを、後段の酸化触媒１４を通過させることで無害なＣＯ₂やＨ₂Ｏに酸化処理して排出することができ、最終的に大気中へ排出される排出ガス２中に有害ガスが残存してしまう虞れを未然に回避することができる。

更に、前段の酸化触媒１３を通過させることで排出ガス２中のＮＯxの大半を占めるＮＯを反応性の高いＮＯ₂とすることができるので、排気温度が比較的高い運転条件下でのパティキュレートの酸化反応を大幅に促進することができ、これにより電気ヒータ９による加熱を加えない場合でのパティキュレートの自然燃焼を促して良好な燃焼除去を図ることができる。

また、特に本形態例においては、フィルタケース１１，１２を並列に対で設けて排出ガス２を交互に流し得るように構成しているので、排出ガス２をフィルタケース１１，１２の何れか一方に迂回させることにより、他方のフィルタ本体７を排出ガス２の流れに晒されない状態として電気ヒータ９により効率の良い加熱を行うことができる。

しかも、一方のフィルタケース１１のフィルタ本体７を再生させている間に、他方のフィルタケース１２のフィルタ本体７でパティキュレートの捕集を継続することができるので、常に何れかのフィルタケース１１，１２のフィルタ本体７を使用可能な状態として連続的にパティキュレートの低減化を図ることができる。

更に、排出ガス２が迂回しているフィルタケース１１又は１２に対しエアポンプ２２からの燃焼用空気をエア導入管２５又は２６を介し導き得るようにしてあるので、フィルタ本体７周囲の酸化雰囲気を高めて捕集済みパティキュレートを更に燃え易くすることができ、より一層短い通電時間でパティキュレートの燃焼除去を完了することができて消費電力の更に大幅な低減化を図ることができる。

また、フィルタ本体７に酸化触媒を一体的に担持せしめた構成を採用した場合には、フィルタ本体７に捕集されたパティキュレートの酸化反応を酸化触媒により促進することができるので、排気温度が低い運転領域にて、より一層確実なパティキュレートの燃焼除去を実現することができる。

図３は本発明の別の形態例を示すもので、前述した図１及び図２の形態例では、フィルタ本体７の前端面に電気ヒータ９を装備した場合を例示していたが、この図３に示す形態例のように、必要に応じフィルタ本体７の後端面にも電気ヒータ９’を増設して前記フィルタ本体７への加熱力を高めることも可能であり、このようにした場合には、単位時間当たりの消費電力が前述の形態例の場合より増えることになるが、パティキュレートの燃焼除去を完了するのに要する通電時間は短くて済むので、結果的に総消費電力を従来より低く抑えることが可能となる。

尚、本発明の排気浄化装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、フィルタケースは必ずしも並列に対で設けなくても良いこと、例えば単一のフィルタケースに対しこれを迂回するバイパス流路を設けるようにしても良いこと、フィルタ本体には必ずしも酸化触媒を担持させなくて良いこと、フィルタ本体の形状は図示例に限定されないこと、その他、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。

本発明を実施する形態の一例を示す全体概略図である。図１の要部を拡大して示す断面図である。本発明の別の形態例を示す断面図である。従来のパティキュレートフィルタの配置状態を示す概略図である。図４のパティキュレートフィルタの詳細を示す断面図である。

符号の説明

２排出ガス
３排気管
７フィルタ本体
９電気ヒータ
９’ 電気ヒータ
１０加熱再生型パティキュレートフィルタ
１１フィルタケース
１２フィルタケース
１３前段の酸化触媒
１４後段の酸化触媒
１５排気シャッタ
１６排気シャッタ
２２エアポンプ
２５エア導入管
２６エア導入管

Claims

排出ガスを通過させて該排出ガス中のパティキュレートを捕集する多孔質のフィルタ本体に、該フィルタ本体を加熱し得るよう電気ヒータを装備して加熱再生型パティキュレートフィルタを構成し、該加熱再生型パティキュレートフィルタを排気管途中のフィルタケース内に収容すると共に、該フィルタケース内における前記加熱再生型パティキュレートフィルタの前後位置に、該加熱再生型パティキュレートフィルタに対し保温効果が得られるように酸化触媒を近接配置したことを特徴とする排気浄化装置。
フィルタケースに対し排出ガスを適宜に迂回させて流し得るように構成したことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
フィルタケースを並列に複数個設け、任意のフィルタケースに対し排出ガスを適宜に迂回させて流し得るように構成したことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
排出ガスが迂回しているフィルタケースに対し燃焼用空気を適宜に導き得るように構成したことを特徴とする請求項２又は３に記載の排気浄化装置。
フィルタ本体に酸化触媒を一体的に担持せしめたことを特徴とする請求項１、２、３又は４に記載の排気浄化装置。
排出ガスが流通する多数の流路をハニカム状に形成し且つ前記各流路の入口側と出口側を交互に目封じしたフィルタ本体を採用したことを特徴とする請求項１、２、３、４又は５に記載の排気浄化装置。
フィルタ本体の少なくとも前端面に電気ヒータを装備したことを特徴とする請求項６に記載の排気浄化装置。