(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気通路に配置された酸化触媒と、前記排気通路における前記酸化触媒の直下流側に隣接配置されたパティキュレート衝突手段とを具備し、前記酸化触媒は、隔壁によって細分された多数の軸線方向流路を有し、前記パティキュレート衝突手段は、排気ガス中のパティキュレートが衝突する多数の衝突部を有し、前記衝突部に衝突したパティキュレートは一時的に停止させられ、前記衝突部の間隔はパティキュレートの粒径に比較して非常に大きくされ、前記排気通路の前記パティキュレート衝突手段の下流側には、ＮＯＸ吸収材が配置され、前記パティキュレート衝突手段と前記ＮＯＸ吸収材との間には還元剤供給手段が設けられていることを特徴とするディーゼル機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記排気通路の前記パティキュレート衝突手段の下流側には、ＣＯ浄化触媒が配置されていることを特徴とする請求項１に記載のディーゼル機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記排気通路には、複数の前記酸化触媒と複数の前記パティキュレート衝突手段とが配置され、各前記酸化触媒の直下流側には各前記パティキュレート衝突手段が隣接配置され、各前記パティキュレート衝突手段は、下流側に位置するほど前記衝突部の間隔が小さくされていることを特徴とする請求項１に記載のディーゼル機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記パティキュレート衝突手段は多孔質材料から形成され、前記パティキュレート衝突手段の外周部には環状補強部材が配置されていることを特徴とする請求項１に記載のディーゼル機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼル機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼル機関の排気ガス中にはカーボンを主成分とする排気微粒子（パティキュレート）が比較的多く含まれており、これが環境汚染を引き起こすために、大気中に放出されるパティキュレート量を低減することが望まれている。そのために、ディーゼル機関の排気通路内にはパティキュレートを捕集するためのパティキュレートトラップを配置することが提案されている。
【０００３】
このようなパティキュレートトラップに多量のパティキュレートが捕集されると、大きな排気抵抗となって機関性能を大幅に低下させるために、これを防止する必要がある。機関高負荷高速運転が実施されれば、排気温度が非常に高くなり、排気ガス中の酸素を利用して捕集されたパティキュレートを焼失させることができる。しかしながら、このような機関高負荷高速運転が定期的に実施される保証はない。
【０００４】
特開平１−３１８７１５号公報には、パティキュレートトラップの上流側に離間して酸化触媒を配置する排気浄化装置が開示されている。ディーゼル機関の排気ガス中には、比較的多量のＮＯが含まれており、この排気浄化装置は、このＮＯを酸化触媒でＮＯ2 に酸化してパティキュレートトラップへ供給するものである。ＮＯ2 は比較的低温でもパティキュレートと反応して（ＮＯ2 ＋Ｃ→ＮＯ＋ＣＯ又は２ＮＯ2 ＋２Ｃ→Ｎ2 ＋２ＣＯ2 ）パティキュレートを燃焼させることが公知である。
【０００５】
こうして、この排気浄化装置は、比較的排気温度が低い通常の機関運転状態においても、酸化触媒で発生させたＮＯ2 によってパティキュレートを焼失させ、パティキュレートトラップに多量のパティキュレートが捕集されて機関出力が大幅に低下することを防止しようとしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述の従来技術において、パティキュレートトラップに捕集されたパティキュレートを全て焼失させるためには、少なくとも捕集されたパティキュレートと同量のＮＯ2 が必要とされる。しかしながら、このような多量のＮＯ2 を酸化触媒で発生させることは容易ではない。
【０００７】
こうして、もし、排気ガス中の比較的小さなパティキュレートがパティキュレートトラップに捕集された直後において焼失されないと、このパティキュレートに排気ガス中のパティキュレートが付着堆積して徐々に成長する。このようなパティキュレートの成長が開始されると、ＮＯ2 では容易に焼失させることはできず、早期に比較的大きなパティキュレートの塊に成長する。
【０００８】
それにより、遂には、このように成長した複数のパティキュレートの塊によってパティキュレートトラップの排気抵抗が増大し、機関出力を大幅に低下させることとなる。
【０００９】
従って、本発明の目的は、大気中に放出されるパティキュレート量を低減するディーゼル機関の排気浄化装置において、機関高負荷高速運転が実施されなくても機関出力の大幅な低下を確実に防止することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明による請求項１に記載のディーゼル機関の排気浄化装置は、排気通路に配置された酸化触媒と、前記排気通路における前記酸化触媒の直下流側に隣接配置されたパティキュレート衝突手段とを具備し、前記酸化触媒は、隔壁によって細分された多数の軸線方向流路を有し、前記パティキュレート衝突手段は、排気ガス中のパティキュレートが衝突する多数の衝突部を有し、前記衝突部に衝突したパティキュレートは一時的に停止させられ、前記衝突部の間隔はパティキュレートの粒径に比較して非常に大きくされ、前記排気通路の前記パティキュレート衝突手段の下流側には、ＮＯＸ吸収材が配置され、前記パティキュレート衝突手段と前記ＮＯＸ吸収材との間には還元剤供給手段が設けられていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明による請求項２に記載のディーゼル機関の排気浄化装置は、請求項１に記載のディーゼル機関の排気浄化装置において、前記排気通路の前記パティキュレート衝突手段の下流側には、ＣＯ浄化触媒が配置されていることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明による請求項３に記載のディーゼル機関の排気浄化装置は、請求項１に記載のディーゼル機関の排気浄化装置において、前記排気通路には、複数の前記酸化触媒と複数の前記パティキュレート衝突手段とが配置され、各前記酸化触媒の直下流側には各前記パティキュレート衝突手段が隣接配置され、各前記パティキュレート衝突手段は、下流側に位置するほど前記衝突部の間隔が小さくされていることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明による請求項４に記載のディーゼル機関の排気浄化装置は、請求項１に記載のディーゼル機関の排気浄化装置において、前記パティキュレート衝突手段は多孔質材料から形成され、前記パティキュレート衝突手段の外周部には環状補強部材が配置されていることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明によるディーゼル機関の排気浄化装置の第一実施形態を示す概略断面図である。同図において、１は排気通路である。排気通路１の拡管部１ａには、上流側から第一酸化触媒２と網部材３と第二酸化触媒４とが配置されている。第１酸化触媒２と網部材３と第２酸化触媒４とは互いに隣接配置されている。それにより、拡管部１ａの長さは比較的短くされている。
【００１６】
図２は、第一酸化触媒２と網部材３との境界領域における拡大断面図である。同図に示すように、第一酸化触媒２は、隔壁２ａによって細分された多数の軸線方向流路２ｂを有しており、これらの軸線方向流路２ｂのそれぞれの内壁面には、白金Ｐｔ等の触媒成分が担持されている。それにより、排気ガスは、各軸線方向流路２ｂを通過する際に、排気ガス中のＮＯが触媒成分によってＮＯ2 へ酸化されると共に、整流されて比較的高速で隣接する網部材３へ流入する。
【００１７】
網部材３は、ステンレス等のワイヤ３ａから形成されたワイヤメッシュである。各ワイヤ３ａの間隔は、図示したようにパティキュレートの粒径に比較して非常に大きくされている。こうして、排気ガス中に含まれるパティキュレートの一部だけが、各ワイヤ３ａに衝突して停止させられる。この時、排気温度が低くても、第一酸化触媒２において発生されたＮＯ2 が停止したパティキュレートと容易に反応し、パティキュレートはＣＯ又はＣＯ2 へ変換されて焼失する。ワイヤ間隔が大きくされているために、多量のパティキュレートが各ワイヤ３ａによって停止させられることがなく、それにより、各ワイヤ３ａにより停止させられたパティキュレートをほぼ確実に焼失させることができる。有害なＣＯは、網部材３の下流側に位置する第二酸化触媒４によって酸化されてＣＯ2 へ変換される。この第二酸化触媒４はＣＯを浄化するためのものであり、ＣＯを浄化することができれば、特に酸化触媒でなくても良い。
【００１８】
各ワイヤ３ａにより停止させられたパティキュレートは、ワイヤ３ａ上で長時間停止し続けることはなく、ＮＯ2 と反応せずに焼失しない場合には、近傍を通過する比較的高速の排気ガスによって下流側に運び去られる。もし、ワイヤ３ａ上のパティキュレートの両側を通過する所定速度の排気ガスに対してバランスして一時的にワイヤ上に留まっても、機関運転状態の僅かな変化によって排気ガスの流速が変化すれば、このバランスは容易に崩れて下流側に運び去される。
【００１９】
このように、網部材３は、パティキュレート衝突手段として機能し、各ワイヤ３ａは、パティキュレートが衝突して一時的に停止させられるための衝突部である。こうして、排気ガス中のパティキュレートの少なくとも一部がパティキュレート衝突手段において焼失され、大気中に放出されるパティキュレート量を確実に低減することができる。また、パティキュレート衝突手段においては、前述したように、焼失しないパティキュレートが長時間留まることはなく、排気ガス中のさらなるパティキュレートによって比較的大きなパティキュレートの塊に成長することはない。
【００２０】
図３は、本発明によるディーゼル機関の排気浄化装置の第二実施形態を示す概略断面図である。同図において、１’は排気通路である。排気通路１’の拡管部１ａ’には、上流側から第一酸化触媒２’、第一網部材３’、第二酸化触媒４’、第二網部材５’、第三酸化触媒６’、及び第三網部材７’が互いに隣接配置されている。各酸化触媒２’，４’，６’は、第一実施形態の第一酸化触媒２と同様な構造を有している。また、各網部材３’，５’，７’は、第一実施形態の網部材３と同様な構造を有しており、それぞれにおけるワイヤ間隔は、下流側に位置する網部材ほど小さくされている。
【００２１】
このように構成された第二実施形態において、第一酸化触媒２’と第一網部材３’とは、第一実施形態の第一酸化触媒２と網部材３と同様に機能し、第一網部材３’においては、パティキュレートを比較的大きな塊に成長させることなく、排気ガス中のパティキュレートの一部を確実に焼失させることができる。
【００２２】
第二酸化触媒４’は、第一網部材３’においてパティキュレートを燃焼させる際に還元されたＮＯを含み排気ガス中のＮＯをＮＯ2 に酸化させると共に、第一網材３’において発生したＣＯを無害なＣＯ2 へ酸化する。それにより、第二網部材５’には比較的多量のＮＯ2 を含む排気ガスが整流されて比較的高速で供給される。第二網部材５’におけるワイヤ間隔は、第一網部材３’に比較して小さくされているために、第一網部材３’において一部のパティキュレートが焼失された分だけ排気ガス中のパティキュレート濃度は低くなっているが、この排気ガス中のパティキュレートのさらに一部だけを確実に各ワイヤで一時停止させることができる。
【００２３】
こうして、第二網部材５’においても、第一網部材３’と同様に、パティキュレートを比較的大きな塊に成長させることなく、排気ガス中のパティキュレートのさらに一部を確実に焼失させることができる。
【００２４】
同様に、第三酸化触媒６’は、排気ガス中のＮＯ及びＣＯをＮＯ2 及びＣＯ2 へ酸化し、第三網部材７’では、さらにワイヤ間隔が小さくされているために、さらにパティキュレート濃度が低くなった排気ガス中のパティキュレートの一部を確実に一時停止させ、パティキュレートを比較的大きな塊に成長させることなく、排気ガス中のパティキュレートのさらに一部を確実に焼失させることができる。
【００２５】
こうして、第一網部材３’と第二網部材５’と第三網部材７’とにおいて、それぞれ排気ガス中のパティキュレートの一部を確実に焼失させることができるために、大気中に放出されるパティキュレート量を大幅に低減することができる。本実施形態では、第三網部材７’において発生するＣＯを浄化するための触媒は設けられていないが、第一実施形態と同様に、第三網部材７’の下流側に酸化触媒等のＣＯを浄化するための触媒を設けるようにしても良い。
【００２６】
図４は、本発明によるディーゼル機関の排気浄化装置の第三実施形態を示す概略断面図である。同図において、１は排気通路であり、その第一拡管部１ａには、例えば、第一実施形態と同様に、第一酸化触媒と網部材と第二酸化触媒とが互いに隣接配置され、前述したように排気ガス中のパティキュレートの少なくとも一部を焼失させ、大気中に放出されるパティキュレート量を低減させる。また、排気ガス中のＮＯ及びＮＯ2 等の窒素酸化物も有害であるために浄化する必要があり、本実施形態では、第一拡管部１ａの下流側に位置する第二拡管部１ｂに、そのためのＮＯx 吸収材が配置されている。
【００２７】
ＮＯx 吸収材は、例えば、アルミナ等の担体上に、例えば、白金Ｐｔのような貴金属とバリウムＢａのようなアルカリ土類（又は、アルカリ金属又は希土類）を担持させたものであり、以下のメカニズムでＮＯx を吸収する。
【００２８】
まず、排気ガス中の酸素濃度が高いリーン状態の排気ガスにおいて、酸素が、Ｏ2 - の形で白金Ｐｔの表面に付着し、次いで、排気ガス中のＮＯが白金Ｐｔの表面上でＯ2 - と反応してＮＯ2 となる。こうして生成されたＮＯ2 の一部は、白金Ｐｔ上で酸化されつつ吸収材内へ吸収され、また、排気ガス中のＮＯ2 の一部は、直接的に吸収材内へ吸収され、酸化バリウムＢａＯと結合しながら硝酸イオンＮＯ3 - の形で吸収材内に吸収される。
【００２９】
排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金Ｐｔの表面でＮＯ2 が生成され、吸収材のＮＯx 吸収能力が飽和しない限りＮＯ2 が吸収材内に吸収される。しかしながら、排気ガスがリッチ状態となって酸素濃度が低下することによってＮＯ2 の生成量が低下すると、逆に硝酸イオンＮＯ3 - がＮＯ2 の形で吸収材から放出される。このＮＯ2 は、リッチ状態の排気ガス中に含まれる未燃ＨＣ及びＣＯと反応して還元され浄化される。
【００３０】
このようなＮＯx 吸収材が、第一拡管部１ａ内に配置された酸化触媒と網部材との組み合わせより上流側に配置されていると、パティキュレートの焼失に必要な排気ガス中のＮＯをＮ2 に還元させてしまうために、本実施形態では、第一拡管部１ａの下流側の第二拡管部１ｂ内に配置されている。
【００３１】
しかしながら、ＮＯx 吸収材においてＮＯx を還元する際に必要な未燃ＨＣは、例えば、筒内噴射式の燃料噴射弁によって排気行程中で燃料を噴射して提供される。それにより、ＮＯx 吸収材の上流側に酸化触媒が位置していると、この酸化触媒で未燃ＨＣを酸化させてしまう問題が発生する。
【００３２】
本実施形態では、この問題を解決するために、例えば、四気筒ディーゼル機関においては、三つの気筒Ａ，Ｂ，Ｃの排気ポートはエキゾーストマニホルドで集合して排気通路１へ接続されているが、残り一つの気筒Ｄの排気ポートは第１拡管部１ａと第二拡管部１ｂとの間へ直接的に接続されるようになっている。それにより、この一つの気筒において定期的に排気行程での燃料噴射を実施すれば、還元剤としての未燃ＨＣを確実にＮＯx 吸収材へ供給してＮＯx の還元浄化を実現することができる。
【００３３】
このような構成では、一つの気筒Ｄにおいて発生するパティキュレートを焼失させることができなくなる。これを防止するためには、通常通り、全ての気筒の排気ポートをエキゾーストマニホルドで集合させて排気通路１へ接続する必要があり、この場合には、第１拡管部１ａと第二拡管部１ｂとの間に燃料等の還元剤を別に供給する還元剤供給装置を設けることとなる。
【００３４】
前述した実施形態において、排気ガス中のパティキュレートを一時的に停止させるパティキュレート衝突手段は、前述した網部材に限定されず、セラミックフォーム等の多孔質部材としても良い。この場合には、孔を形成する壁が、パティキュレートの衝突部となり、これら衝突部の間隔は、パティキュレートの粒径に対して非常に大きくする必要がある。
【００３５】
このようなセラミック部材は、拡管部に装着する以前に余剰なセラミック粒子等を除去する必要があり、そのためには、このようなセラミック部材が比較的脆いことを考慮して、人手によるエア吹き等が行われていた。図５は、本発明によるパティキュレート衝突手段として使用されるセラミック部材３０を示している。このセラミック部材３０の外周部には、金属等の環状補強部材３１が嵌合されている。それにより、このセラミック部材３０は、環状補強部材３１を介して遠心分離機等の装置へ破損することなく取り付けることができ、前述のセラミック粒子除去に遠心分離機等が使用可能となり、人件費を節約してセラミック部材のコストダウンが可能となる。
【００３６】
【発明の効果】
このように、本発明によるディーゼル機関の排気浄化装置は、排気通路に配置された酸化触媒と、排気通路における酸化触媒の直下流側に隣接配置されたパティキュレート衝突手段とを具備しており、酸化触媒は、隔壁によって細分された多数の軸線方向流路を有するために、排気ガス中のＮＯをＮＯ2 に酸化させると共に排気ガスを整流して比較的高速で隣接するパティキュレート衝突手段へ供給する。パティキュレート衝突手段は、排気ガス中のパティキュレートが衝突する多数の衝突部を有し、衝突部に衝突したパティキュレートは一時的に停止させられ、衝突部の間隔はパティキュレートの粒径に比較して非常に大きくされている。それにより、排気ガス中に含まれるパティキュレートの一部だけが、確実に各衝突部に衝突して停止させられ、この時、排気温度が低くても、到来するＮＯ2 が停止したパティキュレートと容易に反応し、パティキュレートを焼失させることができる。こうして、排気ガス中のパティキュレートの一部だけを確実に焼失させ、大気中に放出されるパティキュレート量を低減することができると共に、パティキュレート衝突手段にパティキュレートが長時間留まることがないために、パティキュレート衝突手段においては排気ガス中のさらなるパティキュレートによってパティキュレートが比較的大きな塊に成長することはなく、機関高負荷高速運転が実施されなくても機関出力の大幅な低下を確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるディーゼル機関の排気浄化装置の第一実施形態を示す概略断面図である。
【図２】図１の排気浄化装置の第一酸化触媒と網部材との境界領域における拡大断面図である。
【図３】本発明によるディーゼル機関の排気浄化装置の第二実施形態を示す概略断面図である。
【図４】本発明によるディーゼル機関の排気浄化装置の第三実施形態を示す概略断面図である。
【図５】本発明によるパティキュレート衝突手段としてのセラミック部材を示す図である。
【符号の説明】
１…排気通路
２…第一酸化触媒
３…網部材
４…第二酸化触媒
【図１】
0003690112.tif 000002
【図２】
0003690112.tif 000003
【図３】
0003690112.tif 000004
【図４】
0003690112.tif 000005
【図５】
0003690112.tif 000006