(57)【要約】【課題】微粒子捕集装置の外周部の温度を高くすることができる内燃機関の排気ガス浄化システムを提供する。【解決手段】酸化触媒装置１１が排気管１０の径方向中央で流れ方向に延在する中央部１１Ｂと、径方向外側で流れ方向に延在する環状の外周部１１Ａとを有しており、外周部１１Ａの酸化触媒の担持量が中央部１１Ｂよりも多いことを特徴とする。【選択図】図４
2018071455.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気管に上流側より順に酸化触媒装置、微粒子捕集装置を備え、前記酸化触媒装置のハニカム構造を形成する基材に排気ガスのガス成分を酸化する酸化触媒が担持された内燃機関の排気ガス浄化システムにおいて、
前記酸化触媒装置が前記排気管の径方向中央で流れ方向に延在する中央部と、径方向外側で流れ方向に延在する環状の外周部とを有しており、
前記外周部の酸化触媒の担持量が前記中央部よりも多いことを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化システム。
【請求項２】
この内燃機関の排気ガス浄化システムで、前記酸化触媒を使用せずに貴金属触媒の担持量を均一とした酸化触媒装置を使用した場合において、前記微粒子捕集装置の径方向温度分布を計測し、この径方向温度分布の変曲点から径方向外側の領域を前記微粒子捕集装置の低温部とし、径方向中央の領域を前記微粒子捕集装置の高温部としたときに、
前記酸化触媒装置の前記中央部を前記微粒子捕集装置の前記高温部に対向する領域とし、前記酸化触媒装置の外周部を前記微粒子捕集装置の前記低温部に対向する領域とすることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気ガス浄化システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気ガス浄化システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
微粒子捕集装置の上流に配置された触媒の中心部のセルに集中的に排気を流入させる一方、この触媒の外周部に形成した粒子状物質捕集部によりＰＭを捕集することで、微粒子捕集装置の外周部に流入するＰＭ量を低減して、微粒子捕集装置におけるＰＭの燃え残りを抑制する排気浄化装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−１３４１２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、エンジンから排出され、排気管を流れる排気ガスは、中央部と外周部の速度分布を生じ、さらに外周部からの放熱により温度分布が生じる。この温度分布は、排気ガスが通過する微粒子捕集装置内部にも生じており、微粒子捕集装置の外周部の温度が低くなる。
【０００５】
したがって、上述したような従来技術では、強制ＰＭ再生時にＨＣ等のガス成分を増加しても、酸化触媒を通過した排気管径方向外側の排気ガスの温度が低く、微粒子捕集装置の外周部の温度が上昇しない。それ故、微粒子捕集装置の外周部で捕集したＰＭを除去できない。
【０００６】
本発明の目的は、微粒子捕集装置の外周部の温度を高くすることができる内燃機関の排気ガス浄化システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するための本発明の内燃機関の排気ガス浄化システムは、内燃機関の排気管に上流側より順に酸化触媒装置、微粒子捕集装置を備え、前記酸化触媒装置のハニカム構造を形成する基材に排気ガスのガス成分を酸化する酸化触媒が担持された内燃機関の排気ガス浄化システムにおいて、前記酸化触媒装置が前記排気管の径方向中央で流れ方向に延在する中央部と、径方向外側で流れ方向に延在する環状の外周部とを有しており、前記外周部の酸化触媒の担持量が前記中央部よりも多いことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の内燃機関の排気ガス浄化システムによれば、外周部の触媒の担持量を多くするので、酸化触媒装置の外周部での発熱量を増加できる。これにより、酸化触媒装置を通過した排気ガスの径方向外側の温度上昇に有利になり、下流側の微粒子捕集装置の径方向外側の温度を上昇できる。これに伴って、微粒子捕集装置の径方向外側に流入するＰＭを確実に除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態の内燃機関の排気ガス浄化システムの構成を示す図である。
【図２】図１の酸化触媒装置の構成を示す図である。
【図３】図１の酸化触媒装置の内部の酸化触媒の担持状態を示す図である。
【図４】図１の微粒子捕集装置の構成を示す図である。
【図５】微粒子捕集装置の入口断面の中心から径方向への距離と微粒子捕集装置に流入する排気ガスの温度との関係である径方向温度分布線を示す図である。
【図６】本発明の微粒子捕集装置の内部のアッシュの堆積状態を示す図である。
【図７】従来技術の微粒子捕集装置の内部のアッシュの堆積状態を示す図である。
【図８】第２実施形態の内燃機関の排気ガス浄化システムの酸化触媒装置の内部の酸化触媒の担持状態を示す図である。
【図９】第３実施形態の内燃機関の排気ガス浄化システムの酸化触媒装置の内部の酸化触媒の担持状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明に係る実施形態の内燃機関の排気ガス浄化システムについて、図面を参照しながら説明する。
【００１１】
図１に示すように、第１実施形態の排気ガス浄化システム１には、エンジン２の排気管１０に上流側より順に備えた酸化触媒装置１１、微粒子捕集装置１２が配設される。
【００１２】
酸化触媒装置１１は、ハニカム構造を形成する基材に、排気ガスＧの炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）等を酸化する貴金属触媒（酸化触媒）が担持されて構成される。貴金属触媒としては、炭化水素を水と二酸化炭素に、一酸化炭素を二酸化炭素にそれぞれ酸化する白金（Ｐｔ）系の触媒が好ましい。
【００１３】
この貴金属触媒による炭化水素及び一酸化炭素の酸化反応は発熱反応であるので、この発熱により排気ガスＧは昇温する。これを利用して、微粒子捕集装置１２の強制ＰＭ再生制御時等、高温の排気ガスＧが必要となるときには、酸化触媒装置１１より上流側の排気通路１０を通過する排気ガスＧに含まれる炭化水素の量を一時的に増加させて、この増加分の炭化水素を酸化触媒装置１１で酸化させることで、排気ガスＧを高温化している。
【００１４】
なお、炭化水素の量を一時的に増加させる方法としては、例えば、エンジン２の気筒（シリンダ）２ａ内で燃料のポスト噴射を行う方法や、酸化触媒装置１１より上流側の排気通路１０に燃料噴射装置（図示しない）を備えて、この燃料噴射装置から燃料を噴射する方法がある。
【００１５】
また、図２に示すように、酸化触媒装置１１は、中央部１１Ｂと外周部１１Ａとを有している。中央部１１Ｂは、基材が円柱状に形成されており、排気管１０の径方向中央で流れ方向に延在している。外周部１１Ａは、基材が円環体に形成されており、径方向外側で流れ方向に延在している。この外周部１１Ａに流入する排気ガスＧａの温度は、中央部１１Ｂを通過する排気ガスＧｂの温度より低くなる。排気管１０を流れる排気ガスＧは、排気管１０の断面中心（図２では入口断面の中心を１１Ｍとしている）から径方向外側（外壁１１Ｐ側）に向うにつれて速度が低くなり（速度分布が生じ）、また、排気管１０の外周から外部への放熱があるからである。
【００１６】
第１実施形態の排気ガス浄化システム１が備える酸化触媒装置１１は、図３に示すように、外周部１１Ａの貴金属触媒の担持量が中央部１１Ｂの貴金属触媒の担持量よりも多いことを特徴とする。なお、図３では、貴金属触媒の量の相違をハッチングの間隔の相違により示している（ハッチングの間隔が短い：貴金属触媒の量が多い（外周部）、ハッチングの間隔が長い：貴金属触媒の量が少ない（中央部））。
【００１７】
このように構成することで、酸化触媒装置１１の外周部１１Ａでの発熱量を増加できるので、外周部１１Ａを通過して下流側の微粒子捕集装置１２に流入する排気ガスＧａの温度を上昇させることができる。
【００１８】
ここで、微粒子捕集装置１２（図４参照）について説明する。微粒子捕集装置１２は、その内部にフィルタを備えて構成される。このフィルタは、多孔質のセラミックのハニカムのセル（チャンネル）の入口と出口を交互に目封じしたモノリスハニカム型ウォールフロータイプのフィルタである。
【００１９】
本発明の第１実施形態では、酸化触媒装置１１の直径と微粒子捕集装置１２の直径とを等しくし、同一軸線上に配置した酸化触媒装置１１と微粒子捕集装置１２とを単一の排気管１０に収納している。酸化触媒装置１１と微粒子捕集装置１２とが収納される排気管１０は、流れ方向中途の位置で縮径、拡径しない円管である。排気管１０の内径は酸化触媒装置１１及び微粒子捕集装置１２の外径に等しい。
【００２０】
この微粒子捕集装置１２は、図４に示すように、低温部１２Ａと高温部１２Ｂとからなる。この低温部１２Ａと高温部１２Ｂの区分方法については後述する。
【００２１】
そして、酸化触媒装置１１の中央部１１Ｂは微粒子捕集装置１２の高温部１２Ｂに対向する領域とし、酸化触媒装置１１の外周部１１Ａは微粒子捕集装置１２の低温部１２Ａに対向する領域とする。このように構成することで、上流側の外周部１１Ａでの発熱量増加により昇温した排気ガスＧａにより、下流側の低温部１２Ａを昇温させることができるので、強制ＰＭ再生制御時における低温部１２ＡでのＰＭの燃焼不良を防止することができ、また、後述するアッシュ（灰性状物質）の形態遷移（ウォールアッシュ→プラグアッシュ）を促進することができる。
【００２２】
微粒子捕集装置１２の低温部１２Ａと高温部１２Ｂの区分方法について説明する。この区分は、この内燃機関の排気ガス浄化システムで、上記の酸化触媒装置１１を使用せずに、貴金属触媒の担持量を均一とした酸化触媒装置を使用した場合において、前記微粒子捕集装置の径方向温度分布を計測し、この計測結果である、図５に示す微粒子捕集装置１２の径方向温度分布ＴＬの変曲点ＩＰに基づいて行う。この径方向温度分布ＴＬは、微粒子捕集装置１２の断面中心（例えば、入口断面中心１２Ｍ）から径方向外側（外壁１２Ｐ側）への距離ｄを横軸、微粒子捕集装置１２を通過する排気ガスＧの温度Ｔを縦軸とする分布線である。また、変曲点ＩＰ（図５に示す座標（ｄ１、Ｔ１））は、微粒子捕集装置１２の断面中心から径方向外側に向うにつれて排気ガスＧの温度は低くなるが、この温度変化量が急激に大きくなる（急激に低温化する）点である。
【００２３】
本発明の第１実施形態では、この変曲点ＩＰから径方向外側の領域（図５に示す変曲点ＩＰから右側の領域）を低温部１２Ａとし、径方向中央の領域（図５に示す変曲点ＩＰから左側の領域）を高温部１２Ｂとする。
【００２４】
このようにすることで、微粒子捕集装置１２の内部で特に低温の領域である低温部１２Ａを、酸化触媒装置１１の外周部１１Ａでの発熱量増加により昇温した排気ガスＧａが通過するので、低温部１２Ａを確実に昇温して、微粒子捕集装置１２の低温部１２Ａと高温部１２Ｂの温度差の拡大を高効率かつ低コストで抑制することができる。
【００２５】
ここで、微粒子捕集装置１２の内部に堆積するアッシュについて説明する。微粒子捕集装置１２には、排気ガスＧに含まれるＰＭの他にアッシュが堆積する。このアッシュには、プラグアッシュＰＡとウォ−ルアッシュＷＡの２種類がある。プラグアッシュＰＡは、微粒子捕集装置１２の下流側の目封じ部分に栓をする形で堆積するアッシュである。ウォールアッシュＷＡは、ＰＭ捕集用の壁の表面に一様に堆積するアッシュである。
【００２６】
図７に示すように、排気ガスＧが微粒子捕集装置１２を通過すると、ＰＭ捕集用の壁１２ｃ（１２ｃａ、１２ｃｂ、１２ｃｃ）に、排気ガスＧに含まれるＰＭ（微粒子状物質：図示しない）とアッシュ（灰性状物質）が堆積する。アッシュは、ＰＭ捕集用の壁１２ｃの表面に一様に堆積する形（ウォールアッシュＷＡ：斜線部分）で最初は堆積する。
【００２７】
そして、微粒子捕集装置１２の強制ＰＭ再生制御時に、排気ガスＧｂが微粒子捕集装置１２の高温部１２Ｂを通過すると、高温化した排気ガスＧｂにより、ウォールアッシュＷＡを構成するアッシュ粒子が凝集して、より粒子径の大きいウォールアッシュ粒子になるとともに、この大径化したウォールアッシュＷＡが微粒子捕集装置１２の下流側に流されて目封じ部分１２ａａに栓をする形（プラグアッシュＰＡ：クロスハッチング（ＤＸ）部分）で堆積する。なお、図７では、出口側を目封じしているセルを１２Ｂａ、入口側を目封じ（目封じ部分１２ｂｂ）しているセルを１２Ｂｂとしている。
【００２８】
一方、上記の酸化触媒装置１１を使用せずに、貴金属触媒の担持量を均一とした酸化触媒装置を使用した場合においては、微粒子捕集装置１２の強制ＰＭ再生制御時に、排気ガスＧａが微粒子捕集装置１２の低温部１２Ａを通過すると、排気ガスＧａの温度は高温部１２Ｂを通過する排気ガスＧより低温であるので、ウォールアッシュＷＡを構成するアッシュ粒子の凝集が進行せず、一部はプラグアッシュＰＡに変遷するが、大半はウォールアッシュＷＡのまま残存して、排気ガスＧａの流通の妨げになる。なお、図７では、出口側を目封じしているセルを１２Ａａ、入口側を目封じしているセルを１２Ａｂとしている。
【００２９】
その結果、微粒子捕集装置１２の強制ＰＭ再生制御が行われる度に、低温部１２Ａより高温部１２Ｂに流れる排気ガスＧの量が増加するため、高温部１２Ｂと低温部１２Ａの温度差が拡大していく。そのため、低温部１２Ａでは、ますますウォールアッシュＷＡのまま残存するようになる。
【００３０】
それに対して、本発明では、酸化触媒装置１１の外周部１１Ａでの発熱量増加により、下流側の微粒子捕集装置１２の低温部１２Ａを昇温するので、図６に示すように、低温部１２Ａに残存したウォールアッシュＷＡもプラグアッシュＰＡ（図６のΔＤＸ部分）に変遷するようになる。その結果、低温部１２Ａを流れる排気ガスＧａの量と高温部１２Ｂを流れる排気ガスＧｂの量の差は殆ど変化しないため、低温部１２Ａと高温部１２Ｂの温度差の拡大を抑制することができる。
【００３１】
次に、本発明の第２実施形態の排気ガス浄化システム１Ａについて図８を参照しながら説明する。この排気ガス浄化システム１Ａは、酸化触媒装置１１の外周部１１Ａに担持される貴金属触媒の量の分布を除いて、図１及び図２に示す排気ガス浄化システム１と同じ構成である。
【００３２】
より具体的には、排気ガス浄化システム１Ａでは、酸化触媒装置１１の外周部１１Ａに担持される貴金属触媒の量を、径方向温度分布ＴＬにしたがって変化させる。触媒の量を、酸化触媒装置１１の入口断面の中心から径方向外側への距離ｄが大きくなるにつれて、多くする。なお、図８では、図３と同様に、貴金属触媒の量の相違をハッチングの間隔の相違により示している（ハッチングの間隔が短い：貴金属触媒の量が多い、ハッチングの間隔が長い：貴金属触媒の量が少ない）。
【００３３】
この構成によれば、上記の第１の実施の形態の内燃機関の排気ガス浄化システム１と同様に、微粒子捕集装置１２の内部の温度差を狭くすることができるとともに、さらに、次のような作用効果を奏することができる。
【００３４】
すなわち、酸化触媒装置１１の外周部１１Ａの各セルの発熱量を、微粒子捕集装置１２の入口断面の中心から径方向外側への距離ｄが大きくなるにつれて徐々に大きくするので、酸化触媒装置１１の外周部１１Ａに担持させる貴金属触媒の量を最適化しつつ、酸化触媒装置１１の外周端部（排気管１０の外壁）に近いセルの発熱量を確保することができる。
【００３５】
その結果、微粒子捕集装置１２の外周端部に近く、微粒子捕集装置１２の外部への放熱量の大きいセルに十分な熱量を供給することができるので、微粒子捕集装置１２の外周端部付近の温度低下を抑制することができる。
【００３６】
次に、本発明の第３実施形態の排気ガス浄化システム１Ｂについて図９を参照しながら説明する。この排気ガス浄化システム１Ｂは、酸化触媒装置１１の外周部１１Ａに担持される貴金属触媒の量の分布を除いて、図１及び図２に示す排気ガス浄化システム１と同じ構成である。
【００３７】
より具体的には、この排気ガス浄化システム１Ｂでは、酸化触媒装置１１の外周部１１Ａの各セルに担持される貴金属触媒の量を、流れ方向に変化させる。触媒の量を、酸化触媒装置１１の入口から出口に向かうにつれて少なくする。なお、図９では、図３と同様に、貴金属触媒の量の相違をハッチングの間隔の相違により示している（ハッチングの間隔が短い：貴金属触媒の量が多い、ハッチングの間隔が長い：貴金属触媒の量が少ない）。
【００３８】
この構成によれば、上記の第１の実施の形態の内燃機関の排気ガス浄化システム１と同様に、微粒子捕集装置１２の内部の温度差を狭くすることができるとともに、さらに、次のような作用効果を奏することができる。
【００３９】
すなわち、酸化触媒装置１１に担持される貴金属触媒による排気ガスＧａに含まれる炭化水素及び一酸化炭素の酸化反応が頻繁に行われる酸化触媒装置１１の入口に近い位置より順に、担持させる貴金属触媒の量を少なくするので、酸化触媒装置１１の発熱効率を維持しつつ、酸化触媒装置１１の外周部１１Ａに担持させる貴金属触媒の量を最適化することができる。
【００４０】
また、上記の酸化触媒装置１１は、外周部１１Ａを構成するドーナツ型の部材と、中央部１１Ｂを構成する円筒型の部材とを別々に製造後に、このドーナツ型の部材１１Ａに円筒型の部材１１Ｂを組み付けて製造すると、工程管理が容易になるので好ましい。
【００４１】
本発明の内燃機関の排気ガス浄化システム１、１Ａ、１Ｂによれば、外周部１１Ａの触媒の担持量を多くするので、酸化触媒装置１１の外周部１１Ａでの発熱量を増加できる。これにより、酸化触媒装置１１を通過した排気ガスＧの径方向外側の温度上昇に有利になり、下流側の微粒子捕集装置１２の径方向外側の温度を上昇できる。すなわち、微粒子捕集装置１２の径方向外側で捕集したＰＭを確実に除去することができる。
【００４２】
なお、外周部１１Ａの貴金属触媒の担持量と中央部１１Ｂの貴金属触媒の担持量との比は、強制ＰＭ再生制御時に高温部１１Ｂと低温部１１Ａとの温度差がゼロに近づく、あるいはゼロになる比が好ましい。
【００４３】
また、外周部１１Ａの貴金属触媒の担持量は、強制ＰＭ再生制御時に低温部１１Ａが耐久温度以下になる量が好ましい。
【００４４】
以上により、酸化触媒装置１１の全域にわたって貴金属触媒の量を多くする場合と比較して、コストを抑えつつ、微粒子捕集装置１２の全域でＰＭを除去できると共に、微粒子捕集装置１２の耐久性の向上に有利になる。
【符号の説明】
【００４５】
１、１Ａ、１Ｂ  内燃機関の排気ガス浄化システム
２  エンジン
１０  排気管
１１  酸化触媒装置
１１Ａ  酸化触媒装置の外周部
１１Ｂ  酸化触媒装置の中央部
１２  微粒子捕集装置
１２Ａ  微粒子捕集装置の低温部（外周部）
１２Ｂ  微粒子捕集装置の高温部（中央部）
ｄ  微粒子捕集装置の入口断面の中心から径方向外側への距離
Ｔ  微粒子捕集装置に流入する排気ガスの温度
ＴＬ  径方向温度分布
ＩＰ  変曲点
Ｇ  排気ガス
Ｇａ  酸化触媒装置の外周部及び微粒子捕集装置の低温部を通過する排気ガス
Ｇｂ  酸化触媒装置の中央部及び微粒子捕集装置の高温部を通過する排気ガス
【図１】
2018071455.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2018071455.tif 000010
【図９】
2018071455.tif 000011