(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディーゼルエンジンからのＮＯと粒子状物質を包含する排気ガス用の後処理装置における排ガス制御機構であって、
排ガス中のＮＯの少なくとも一部をＮＯ２ に転化するのに有効な触媒と、
前記触媒の下流にある粒子状物質トラップと、及び
前記触媒からの排ガス流を、前記粒子状物質トラップの中央部分に向ける手段とを備えてなり、
前記粒子状物質トラップが周辺部の排ガスバイパスを有し、前記排ガスの一部が前記粒子状物質トラップを通り抜けないようにしてなるものであり、
前記エンジンから排出される粒子状物質の８５重量％までを前記粒子状物質トラップ上で収集し、
前記粒子状物質トラップ中で前記ＮＯ２の存在下で前記粒子状物質を燃焼させるものである、排ガス制御機構。
【請求項２】
前記粒子状物質トラップと、前記排ガスバイパスが、前記粒子状物質の少なくとも５０重量％を捕獲し、かつ、燃焼するのに有効なものである、請求項１に記載の排ガス制御機構。
【請求項３】
前記粒子状物質トラップが、織り上げた、または編み上げたワイヤメッシュである、請求項１又は２に記載の排ガス制御機構。
【請求項４】
前記排ガス流を向ける手段が、そらせ板、コーン、又は金属リップであり、或いは、
前記排ガス流を向ける手段が、前記排ガスバイパスの周辺部の区域において前記触媒を延長するものを備えてなるものである、請求項１〜３の何れか一項に記載の排ガス制御機構。
【請求項５】
前記排ガスが、前記粒子状物質トラップを通過する前に前記触媒を通過する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の排ガス制御機構。
【請求項６】
前記粒子状物質の少なくとも５０重量％が捕獲されて、続いて、同じ、または後に続く運転サイクルで運転条件が改善された時に燃焼される様に配置されてなる、請求項１〜５のいずれか一項に記載の排ガス制御機構。
【請求項７】
ＮＯｘ吸収材を組み合わせてなる、請求項１〜６のいずれか一項に記載の排ガス制御機構。
【請求項８】
前記ＮＯｘ吸収材が比較的低い排ガス温度でＮＯｘを効果的に捕獲し、排ガス温度が約２５０℃を超えた時に、粒子状物質の燃焼で転化および／または消費するためにＮＯｘを放出する、請求項７に記載の排ガス制御機構。
【請求項９】
ディーゼルエンジンからのＮＯと粒子状物質を包含する排気ガスを制御する方法であって、
請求項１〜８の何れか一項の排ガス制御機構用いて、粒子状物質を獲得し、連続的に燃焼させることを含んでなる、制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、排出物制御に関し、より詳しくは、ディーゼルエンジンからの排出物の制御に関する。
【０００２】
ディーゼルエンジンは２つの主要区分、すなわち主としてトラック、バスおよび原動機車両エンジン、船やボート用の大型機関、および定置機関であるヘビーデューティー、および小型トラックや乗用車に使用するライトデューティーエンジン、に分類される。あらゆる種類のエンジンから放出される排気の規制が厳しくなるにつれて、ディーゼルエンジンから出る粒子状物質やＮＯｘの様な排出物制御に関心が集まっている。我々は、ヨーロッパ特許第３４１，８３２号明細書で、Johnson Matthey から連続再生トラップ（「ＣＲＴ（商品名）」として市販されている装置を開示した。この装置は、すすの様な粒子状物質を捕獲し、それらの粒子状物質を、一般的に排気流中に存在するＮＯの接触酸化により生じるＮＯ２ に露出することにより燃焼させる。この装置は、ヘビーデューティーディーゼルエンジンから排出される粒子状物質を制御するのに著しい成果を上げ、粒子状物質のゼロ排出を達成することができる。すなわち、市販のＣＲＴは、（規則で決められている様に）粒子状物質の除去にほぼ１００％有効である。
【０００３】
我々は、従来のＣＲＴが、ライトデューティーエンジンからの排出物をヨーロッパステージIII 、IVまたはそれ以上に制御するには、コスト的に有効ではない場合があることを実感した。粒子状物質およびＮＯｘを制御するための多くの異なったオプションがあり、エンジン製造業者はこれまで、エンジンの設計および管理による解決策を優先させて来た。一般的に、エンジン設計自体は、ＮＯｘおよび粒子状物質に関して、ヨーロッパステージIIの排ガス標準を満足させることができるが、ディーゼルエンジンの特徴から、エンジン設計により、リーン条件下では対処するのが困難なＮＯｘの深刻な増加を引き起こさずに、約０．４ g/Km の粒子状物質を超えることはできない。従って、エンジン設計の選択の余地を増加しながら、これらの排出物規制に適合する有効な機構が依然として求められている。
【０００４】
ＥＰ０７５９７１３（Ｔｏｙｏｔａ）は、ＣＲＴ原理に追加した事項、すなわち、ディゼル粒状物質フィルターまたは捕獲機と、酸化触媒とを組み合わせたＣＲＴタイプから放出されるガスからＮＯをＮＯｘ吸収材に吸収させることによって、炭素微粒子とＮＯ２の反応物の一つを形成させることを包含することが開示されている。
本発明は、ＮＯ２ の供給源、特にディーゼルエンジンから出る排出物中のＮＯ
の一部をＮＯ２ に転化するのに有効な酸化触媒、および粒子状物質トラップを含んでなる、ディーゼルエンジン用の排ガス後処理装置の制御機構であって、排ガスの一部が該トラップを通り抜けないように排ガスバイパスが設けられており、かつ、エンジンから出る総粒子状物質の８５重量％までを収集し、該トラップ中で該ＮＯ２ の存在下で燃焼させることを特徴とする排出物制御機構を提供する。本発明の様々な実施態様により、収集され、燃焼する粒子状物質の量は、最高で８５重量％、６０重量％または最高で５０重量％でよい。しかし、背圧の増加とエンジン性能の低下を引き起こす蓄積およびフィルターの閉塞を回避するために、集められた粒子状物質のすべてを燃焼させる（必ずしも１回の運転サイクルでではなく、数運転サイクルで）ことが重要である。
【０００５】
前記バイパスは、連続的にまたは大量の未燃焼粒状物質の捕獲が生じた場合のいずれかにおいて、排ガスの一部が捕獲手段から逃避することを可能とするものである。好ましくは、この捕獲手段は、「フェイル−セーフ」に設計する、すなわち、この手段は通常の条件下ではすす状の粒子状物質の５０％以上を捕獲するのに有効であるが、収集手段が「飽和」または閉塞した場合には、排ガスが捕獲手段をバイパスするか、または他の様式で、捕獲手段がその収集効率を下げる様にする。この概念は、ディーゼル排ガス処理機構では新規である、と我々は考える。
【０００６】
本発明によれば、粒状物質を捕獲し、かつ連続的に燃焼させて、ディーゼルエンジン排ガスから排出物を、特に該粒状物質を制御する方法であって、ＮＯ２の存在において粒子状物質の最高８５重量％を捕獲すること、かつ、排ガスの一部を該粒状物質捕獲手段から迂回させることとを含んでなる方法を提供する。
【０００７】
ＮＯ２ 供給源は、一般的に公知の型の、ディーゼル排ガス中に含まれるＮＯの少なくとも一部をＮＯ２ に転化し得る酸化触媒であるのが特に好都合である。しかし、本発明はその範囲内に、他のＮＯ２ 供給源を含む変形も包含する。その様な供給源は、圧縮されたＮＯ２ 、場合により触媒上で分解または反応し、ＮＯ２ を生じる化学的供給源、例えば硝酸、アンモニア、尿素、等、を包含することができよう。本発明は、その範囲内に、排ガスの成分からＮＯ２ を製造するすべての方法を包含する。これらの方法には、フィルターを包含する排気機構構成部品上に触媒成分が堆積する様に、燃料に１種以上の触媒成分を添加する方法、低温で活性な触媒でフィルターまたはその部品に触媒作用を持たせ、ＮＯをＮＯ２ に転化する方法、プラズマを使用し、排ガスの一部または全部を処理することによりＮＯ２ を発生させる方法、および他の当業者が利用できる方法が挙げられる。  本発明では、粒子トラップ、または捕獲手段、は効率が１００％未満になる様に設計し、これによって好ましくは幾つかの利点が得られるが、その第一の利点は、背圧が著しく低下することである。ライトデューティーディーゼルは、容量および出力が小さい傾向があるので、排ガス機構から受ける背圧に対抗する能力がヘビーデューティーディーゼルよりもはるかに小さく、極端な場合にはエンジンが破壊されることもある。
【０００８】
本発明は、ライトデューティーディーゼルの実使用で生じることがある問題の幾つかに対処することも意図している。その様なエンジンが、運転の大部分が町中で低速度で行なわれる小型の乗用車またはバンに使用される場合、排ガス温度は極めて低い、恐らく１００〜１２０℃以下である、傾向がある。これらの条件下では、発生するすす状の粒子状物質の量は高負荷条件下よりも少ないが、その温度は、ＮＯをＮＯ２ に最も効果的に酸化する温度よりも低く、従って、ＮＯ２ が不十分になるか、または反応温度が、すす状の粒子状物質を効果的に燃焼させるには低過ぎる。従って、多くの自動車にとって、多くの時間、この捕獲手段は排ガス規制に適合する様に十分な粒子状物質を収集すべきであるが、これは、その様な粒子状物質を収集し、続いて条件が改善された時に燃焼させ、過剰の背圧を生じることなく、排ガスを通過させる設計を採用している。その様な機構では、少なくとも５０重量％の粒子状物質を捕獲し、続いて同じまたはその後の運転サイクルで運転条件が改善された時に燃焼させる。
【０００９】
本発明の主目的は、排ガス流から粒子状物質の一部だけを除去することにある。これは、エンジン設計および管理の改良と組み合わせた場合に適切な排ガス規制に十分に適合することを意図している。しかし、本発明の粒子状物質収集における効率を下げることにより、その様なエンジン向けに設計された現状技術のＣＲＴと比較して、触媒およびトラップの両方に対して体積および重量が減少することから、コストが大幅に低下する。
【００１０】
酸化触媒は、ＮＯをＮＯ２ に転化するのに効果的などの様な触媒でもよく、セラミックまたは金属ハニカム触媒担体上に担持された高白金含有量触媒が好適である。触媒の体積および重量を下げることに加えて、貴金属含有量を節約し、それによってコストをさらに低減できることも意図している。
【００１１】
粒子状物質トラップは、織り上げた、または編み上げたワイヤメッシュまたは穴の開いた金属または適当なセラミック材料でよい。好ましいトラップは、特にウォールフローフィルターと呼ばれるトラップを包含する。粒子状物質はエンジン毎に大きく異なるので、トラップは個々のエンジン設計に合わせて設計するのが好ましい。トラップは、必要という訳ではないが、低温で燃焼を開始する様に触媒被覆を施すことができる。
【００１２】
本発明の概念を常に発展させる中で、その様な排ガス処理機構中の流動および圧力パターンの研究を行なった。トラップが周辺部のバイパスを有し、トラップの中央部分が閉塞した時のみ、そのバイパスを通して排ガスが流れる、本発明の別の実施態様が特に好ましい。ガス流は、特にそらせ板またはコーン、金属リップ、等を包含する様々な手段により中央部分に向けることができるが、我々は、触媒を周辺区域で延長するのが特に簡単で、その区域におけるガス流量を下げるのに有効であることを見出だした。
【００１３】
本発明の好ましい実施態様では、排ガス制御機構をＮＯｘ制御手段と組み合わせる。ＮＯｘ制御は、トラップの下流にＮＯｘ転化触媒を使用するか、または、より好ましくは、トラップ機構をＮＯｘ吸収材と組み合わせる、排ガス循環を包含する多くの方法により達成できる。その様なＮＯｘ吸収材は、当業者には公知であり、アルカリ土類金属酸化物、例えばバリアまたはカルシア、または他の好適な材料を使用することができる。本発明のトラップ機構と組み合わせると、その様な吸収材は極めて効果的に排ガスを制御することができ、例えば粒子状物質を約８０％まで除去すると共に、ＮＯｘを約８０％まで除去することができる。ＮＯｘトラップは好ましくは単一のスルー−フロー缶であり、多くの様式で排ガス濃度を定期的に高くすることにより、再生することができる。さらに好ましい実施態様では、本発明のトラップ機構をリーン−ＮＯｘ触媒およびＮＯｘトラップと組み合わせる。特に好ましい実施態様では、ＮＯｘトラップがＮＯｘを低温で効果的に捕獲し、ＮＯｘがより容易に転化される、および／または本発明の粒子状物質燃焼で使用される、高温、例えば約２５０℃、でＮＯｘを放出する。
【００１４】
現在好ましい白金系触媒を使用する場合、本発明は、硫黄分が５０ ppm以下、好ましくは硫黄分が５０ ppm未満、より好ましくは硫黄分が１０ ppm未満である燃料で使用すべきである。他の触媒系では、燃料の硫黄のレベルがより広くてもよい。
【００１５】
本発明は、添付の図面を参照することにより、より深く理解することができる。
【００１６】
図１に関して、ライトデューティーディーゼル、例えば１．９リットルＴｄｉエンジン、の排気機構に缶を取り付ける。缶１は、１００セル／平方インチの金属ハニカム上に担持された白金触媒である酸化触媒２を含む。粒子状物質は触媒を通過する。穴の開いたガス分配器３が触媒の下流に取り付けてあり、缶の中央に配置された、焼結したステンレス鋼製のフィルター４がガス分配器を取り囲んでいる。フィルターの目が詰まった時、排ガスはフィルターをバイパスできることが分かる。理想的な条件下では、フィルターはすす状の粒子状物質を集め、すす状の粒子状物質は、下記の式の一つ以上により、触媒により発生したＮＯ２ 中で連続的に燃焼する。
【００１７】
ＮＯ２ ＋Ｃ  →  ＮＯ＋ＣＯ
２ＮＯ２ ＋Ｃ  →  ２ＮＯ＋ＣＯ２
２ＮＯ２ ＋２Ｃ  →  Ｎ２ ＋２ＣＯ２
ＮＯ２ ＋Ｏ２ ＋Ｃ  →  ２ＮＯ＋ＣＯ２
理想的ではない条件下では、すなわち排ガス温度が低い場合、粒子状物質の一部だけがフィルター中に集められ、排ガスの大部分はフィルターをバイパスする。排ガスの温度が再び高くなると、燃焼反応が再開され、粒子状物質はフィルターから完全に除去される。
【００１８】
図２に関して、１００％有効ではないフィルター５を使用し、粒子状物質をバイパスさせずに、大量に蓄積させることができる実施態様を示す。図１と同じ部品は同じ番号で示してある。すべての正常な運転条件下で粒子状物質を蓄積させる十分な容量がある。
【００１９】
図３は、図１の実施態様のバイパスとは僅かに異なったバイパスの設計を採用している。粒子状物質は、そらせ板６に衝突することにより収集され、固まり７で示されている。そらせ板自体はガスに対して多孔質であるか、またはフィルターとして作用することができる。排ガスの温度が増加すると、高温ガスが、集められた粒子状物質に直ちに接触し、急速に燃焼を引き起こす。この設計は、板６上の収集区域に電気的加熱部分を含んでなり、燃焼を開始させるホットスポットを造り出すことができる。別の設計変形では、そらせ板は直立した壁を含んでなり、Ｕ字形断面を与えることができる。
【００２０】
好ましい実施態様を図４に示す。エンジン排ガスは、周辺リップ２ａを備えた触媒２を通過する。リップにより周辺区域で流れに対する抵抗が増加するので、ガスの大部分が、開いた周辺のバイパス区域（４ｂ）ではなく、トラップ４の中央の濾過区域（４ａ）を流れる。正常な運転条件下では、無視できる量の排ガスがフィルターをバイパスするが、フィルターが粒子状物質で閉塞しても、この機構はフェイル−セーフであり、ガスはフィルターをバイパスする。驚くべきことに、この機構により、背圧が低くなる。
【００２１】
上記の図４の実施態様を、市販の、ヨーロッパステージII標準に適合する様に設計された１．９リットルＴｄｉ乗用車に取り付けて試験した。１，０００ロードマイル後、この実施態様をヨーロッパステージIIＩ  の試験基準により試験した。下記の試験結果が得られた。
【００２２】
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これらの結果は、ＮＯｘを除いて、ステージIVの必要条件も満たしていることが分かる。しかし、確立したエンジン設計／管理技術を使用してＮＯｘ排出をステージIVのレベルに下げることができ、その結果、粒子状物質は増加するが、本発明の機構はその様な排ガスにも対処することができる。
【００２３】
無論、本発明の原理から離れることなく、ここに示す設計を変える多くの可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第一の実施態様を図式的に示す断面図である。
【図２】  本発明の第二の実施態様を図式的に示す断面図である。
【図３】  本発明の別の実施態様を図式的に示す断面図である。
【図４】  本発明のさらに別の実施態様を図式的に示す断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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