(57)【要約】【課題】強制再生手段を有する内燃機関において、酸化触媒に煤が堆積することを抑制できる排気浄化装置を提供する。【解決手段】排気浄化装置１０は、排気中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタ４５と、パティキュレートフィルタ４５の上流側に配置する酸化触媒５０と、内燃機関を制御してパティキュレートフィルタ４５の温度を強制的に上昇させる強制再生手段とを有している。酸化触媒５０は、単位面積当たりのセル数が異なる複数の触媒５１，５２，５３を排気通路の上流側から下流側に複数段直列に配置したもので、上流側に位置する第１の触媒５１のセル数は下流側に位置する第２の触媒５２のセル数よりも少なく、第２の触媒５２のセル数は下流側に位置する第３の触媒５３のセル数よりも少ない。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられ排気中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタと、
上記パティキュレートフィルタの上流側に位置して上記排気通路内に配置された酸化触媒と、
上記内燃機関を制御して上記パティキュレートフィルタの温度を強制的に上昇させる強制再生手段とを有し、
上記酸化触媒は、単位面積当たりのセル数が異なる複数の触媒を上記排気通路の上流側から下流側に直列に複数段配置してなり、上流側に位置する上記触媒のセル数を、下流側に位置する上記触媒のセル数よりも少なくしたことを特徴とする内燃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】
この発明は、ディーゼルエンジン等の内燃機関の排気を浄化する排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンにおいて、その排気（排出ガス）を浄化するための装置として、パティキュレートフィルタと酸化触媒を用いる連続再生式ＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  ｆｉｌｔｅｒ）が知られている。この種の浄化装置は、排気中のＮＯｘを上記酸化触媒によって酸化させてＮＯ２に変化させ、このＮＯ２によってパティキュレートフィルタ中の煤（主として炭素）を燃焼させるものである。
【０００３】
通常、Ｏ２によって煤を燃焼させるには５５０℃以上の雰囲気温度が必要である。しかし連続再生ではＮＯ２によって煤を燃焼させるため、２５０℃前後と低い雰囲気温度で煤を燃焼させることができるという利点がある。
【０００４】
しかし、例えば都市内走行運転時などのような低速低負荷では、排気温度が低く、触媒温度が活性温度以下となることによって連続再生が困難となり、パティキュレートフィルタに煤が堆積する可能性がある。
【０００５】
堆積した煤を強制的に燃焼させてパティキュレートフィルタを再生させるために、強制再生が行なわれる。強制再生を行なうには、まず、酸化触媒を活性温度まで加熱し、さらにポスト噴射等によって排出ガス中に未燃燃料を添加し、その燃焼熱により、煤がＯ２によって燃焼する温度までパティキュレートフィルタを加熱させる。
【０００６】
酸化触媒を活性温度まで加熱する手段としては、例えば噴射タイミングを遅角させるリタード操作いわゆる「後燃え」を実施することにより、排気温度を上昇させることが行なわれる。このため酸化触媒を加熱する際に燃焼が悪化し、排出ガス中に多量の黒煙とＨＣが存在する。そのような状況下では煤が酸化触媒に付着することになる。
【０００７】
なお、下記特許文献１に記載されているように、パティキュレートフィルタの上流側に複数の触媒担持プレフィルタを設け、各プレフィルタにおけるパティキュレートの堆積密度が等しくなるよう、下流側のプレフィルタほど目の粗さを細かく設定したものが提案されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−８２１２７号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし特許文献１に記載されている触媒担持フィルタは、積極的にパティキュレートを捕集する機能を有しているから、ＮＯ２による連続再生を確実に実現できないような状況では、プレフィルタに多くの煤が捕集されることになり、捕集された煤で触媒の酸化性能が低下してしまう。しかも強制再生のために内燃機関からの未燃燃料排出量を増加させると、プレフィルタへの煤の付着量がますます増加して、やはり再生性能が低下する問題が生じる。
【００１０】
そして、このような状況を改善するためにプレフィルタの上流に酸化触媒を追加した場合には、前記したように強制再生時に行なわれる未燃燃料の増加（燃焼悪化）によって、酸化触媒に煤が堆積するという問題が発生する。
【００１１】
従ってこの発明の目的は、強制再生手段を備えた内燃機関において、酸化触媒に煤が堆積することを抑制できる排気浄化装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、パティキュレートフィルタと、酸化触媒と、内燃機関を制御してパティキュレートフィルタの温度を強制的に上昇させる強制再生手段とを有する排気浄化装置において、上記酸化触媒は、単位面積当たりのセル数が異なる複数の触媒を、上記排気通路の上流側から下流側に直列に複数段配置してなり、上流側触媒のセル数を下流側触媒のセル数よりも少なくしたことを特徴とする。
【００１３】
上記強制再生手段の一例は、酸化触媒を活性温度まで加熱するために噴射タイミングのリタード操作等によって排気温度を高める手段と、例えばポスト噴射等によって排気中の未燃燃料を増加させる手段とを含んでいる。
【００１４】
排気通路の最も上流側に位置する上記触媒は、強制再生時に未燃燃料が添加されても排気流に直接さらされるため温度が上がりにくく、しかも未燃燃料と触媒との反応熱を受け取ることができないため反応が起こりにくいことから煤のＯ２燃焼に必要な温度（例えば５５０℃以上）を燃焼に必要な時間保つことが困難であり、煤が堆積しやすい。
【００１５】
しかし本発明では、上流側の触媒のセル数を少なくすることにより、上流側触媒における煤の結束力が弱まるため、排気流速によって煤を下流側に吹き飛ばすことが可能となる。
【００１６】
下流側に位置する上記触媒では排気流速が低下するため、強制再生時（未燃燃料の添加時）に煤のＯ２燃焼に必要な温度が燃焼に必要な時間保たれ、さらに上流での反応熱を受け取ることができるので反応が進み、煤が堆積しにくいことから、化学反応を起こしやすくするためセル数の多い触媒を設置できるし、酸化触媒としての酸化性能が維持される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の一実施形態について、図１と図２を参照して説明する。
図１は、内燃機関の一例として、排気浄化装置１０を備えたディーゼルエンジン１１を模式的に示している。このエンジン１１は、エンジン本体１２と、吸気系１３および排気系１４と、ＥＧＲ装置１５と、車載コンピュータ等を用いた制御部（コントロールユニット）１６などを備えている。
【００１８】
エンジン本体１２は、ピストン２０と、燃焼室２１と、燃料噴射弁２２などを含んでいる。吸気系１３は、吸気通路３０と、ターボチャージャのコンプレッサ３１などを含んでいる。
【００１９】
排気系１４は、排気通路４０と、ターボチャージャのタービン４１と、排気通路４０の途中に設けられたＤＰＦ外囲器４２と、排気中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタ４５と、ウォールフロー形の酸化触媒５０などを備えている。パティキュレートフィルタ４５と酸化触媒５０は、外囲器４２の内側の空間すなわち排気通路４０ａに収容されている。
【００２０】
図２に示すように上記酸化触媒５０は、単位面積当たりのセル数が異なる複数の触媒５１，５２，５３を、排気通路４０ａの上流側から下流側に直列に配置したものである。上流側に位置する第１の触媒５１のセル５１ａの数は、その下流側に位置する第２の触媒５２のセル５２ａの数よりも少ない。
【００２１】
第２の触媒５２のセル５２ａの数は、その下流側に位置する第３の触媒５３のセル５３ａの数よりも少ない。すなわちこのウォールフロー形酸化触媒５０は、上流から下流に向かってセル５１ａ，５２ａ，５３ａの密度が段階的に高くなるように、各触媒５１，５２，５３が配置されている。
【００２２】
図１に示す制御部１６は、燃料噴射弁２２の噴射量および噴射時期を制御する機能を有している。すなわちこの制御部１６によって、エンジン１１の運転状態に応じて、メイン噴射およびポスト噴射が行なわれる。ここで言うメイン噴射とは、エンジン本体１２の圧縮上死点付近で燃料を噴射する通常の燃料噴射操作である。
【００２３】
ポスト燃料噴射は、強制再生時に、メイン燃料噴射後のエンジン本体１２の膨張行程あるいは排気行程において、燃料噴射弁２２から燃焼室２１内に燃料を噴射する操作である。ポスト燃料噴射が行なわれると、連続再生時よりも高い温度域で煤と燃料が排ガス中のＯ２と反応して燃焼し、パティキュレートフィルタ４５の強制再生がなされる。
【００２４】
ポスト噴射に先立って、酸化触媒５０を活性温度まで加熱することが行なわれる。酸化触媒５０を活性温度まで加熱する手段としては、例えば噴射タイミングを遅角させるリタードいわゆる「後燃え」を実施することにより、排気温度を上昇させることが行なわれる。従って制御部１６と燃料噴射弁２２等は、強制再生手段としても機能する。
【００２５】
次に上記排気浄化装置１０の作用について説明する。
エンジン１１が運転されると、排気中に含まれるパティキュレートがパティキュレートフィルタ４５に捕捉される。
【００２６】
連続再生では、排気中のＮＯｘが酸化触媒５０によって酸化されてＮＯ２に変化する。このＮＯ２によって、パティキュレートフィルタ４５中の煤が比較的低い温度域（例えば２５０℃〜３５０℃前後）で燃焼することによって、パティキュレートフィルタ４５の連続再生が行なわれる。酸化触媒５０の酸素の変換効率は、ある温度域（例えば２００℃以上の活性温度域）で最大となるから、排気温度がこの温度域にあればＮＯ２によって煤が燃焼し、連続再生を行なうことができる。
【００２７】
例えば都市内走行などのような低速・低負荷運転では、排気温度が低く、触媒温度が活性温度以下となることにより連続再生が困難となり、パティキュレートフィルタ４５に煤が堆積する可能性がある。この場合、堆積した煤を強制的に燃焼させてパティキュレートフィルタ４５を再生させるために、強制再生が行なわれる。
【００２８】
強制再生を行なうには、まず、酸化触媒５０を活性温度まで加熱し、さらにポスト噴射等によって排出ガス中に未燃燃料を添加し、その燃焼熱でパティキュレートフィルタ４５を、煤がＯ２によって燃焼する温度まで加熱させる。
【００２９】
ポスト燃料噴射が行なわれると、エンジンの膨張行程あるいは排気行程において燃焼室２１内に噴射された燃料がパティキュレートフィルタ４５に到達し、連続再生時よりも高い温度域（例えば５００℃〜５５０℃以上）にて煤と燃料が排気中のＯ２と反応して燃焼する。
【００３０】
強制再生時に酸化触媒５０を活性温度まで加熱する手段として、例えば噴射タイミングを遅角させるリタード操作いわゆる「後燃え」を実施することにより、排気温度を上昇させることが行なわれる。このため酸化触媒５０を活性温度まで加熱する際に燃焼が悪化し、煤が酸化触媒５０に付着しやすくなる。
【００３１】
すなわち、強制再生時に排気中に未燃燃料が添加されても、最上流に位置する第１の触媒５１は、排気エネルギーに直接さらされるため温度が上がりにくく、未燃燃料と触媒の反応熱を十分受け取ることができないため、Ｏ２による煤の燃焼温度に達することが困難である。そのためセル密度が高いと強制再生時に煤が堆積しやすいが、本実施形態のように上流側触媒５１のセル数を少なくすることにより、煤の結束力が弱まり、排気流速によって煤を下流側に吹き飛ばすことが可能となる。
【００３２】
第１の触媒５１の下流側に位置する第２の触媒５２では、排気流速が低下するため、排気中に未燃燃料が添加されると、Ｏ２による煤の燃焼に必要な温度となり、上流の反応熱を十分に受け取ることもできるため、その温度が煤の燃焼に必要な時間保たれ、煤が燃焼する。
【００３３】
このため第２の触媒５２は、第１の触媒５１よりもセル数が多くても煤の堆積が減少する。この第２の触媒５２は、第３の触媒５３よりもセル密度が低いが、第１の触媒５１よりもセル密度が高く、しかも煤の堆積が抑制されるため、酸化触媒としての酸化性能をある程度維持できる。
【００３４】
最も下流側に位置する第３の触媒５３では、強制再生に必要な温度まで充分に上昇するため、煤の燃焼に必要な温度が燃焼に必要な時間保たれることになり、下流側触媒５３はセル密度が高くても煤が堆積せず、酸化触媒としての酸化性能を十分維持できる。
【００３５】
以上説明したように本実施形態の排気浄化装置１０によれば、パティキュレートフィルタ４５の上流側に配置される酸化触媒５０が、上流から下流に向かって次第にセル密度が高くなるように複数段直列に配置されているため、強制再生時に未燃燃料とともに多く排出される煤が、酸化触媒５０の上流部に多く付着する現象を緩和することができる。
【００３６】
このため酸化触媒５０の酸化性能の極端な低下を抑制しながら酸化触媒５０に煤が堆積することを防止でき、酸化触媒５０の機能を維持して連続再生性能を確保することができる。
【００３７】
酸化触媒の段数は三段に限らず、二段あるいは四段以上であってもよい。要するに本発明では、強制再生手段を備えた内燃機関において、セル密度が異なる複数の触媒を、上流側から下流側に向かって次第にセル密度が高くなるように配置すればよい。
【００３８】
またこの本発明を実施するに当たり、パティキュレートフィルタを始めとして酸化触媒や強制再生手段など、この発明の構成要素を発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更して実施できることは言うまでもない。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、強制再生手段を有する内燃機関において、強制再生時に未燃燃料の排出量を増加するなどの制御が行なわれても、酸化触媒に煤が堆積することを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】排気浄化装置を備えたエンジンの概略図。
【図２】図１に示された排気浄化装置のパティキュレートフィルタと酸化触媒を模式的に示す断面図。
【符号の説明】
１０…排気浄化装置
１６…制御部（強制再生手段）
４５…パティキュレートフィルタ
５０…酸化触媒
５１，５２，５３…触媒
【図１】
2004162611.tif 000003
【図２】
2004162611.tif 000004