(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディーゼルエンジンの排気ガス中の微粒子状物質をフィルターに捕捉し、酸化して除去する第一浄化器と、主として可溶性有機物からなる前記エンジンの排気ガス中の微粒子状物質をフィルターに捕捉し、酸化して除去する第二浄化器とを前記エンジンの排気ガス通路に並列に接続し、
前記第一浄化器は、前記ディーゼルエンジンの高負荷時に排出される大量の排気ガスを流通させるに十分な各部断面積とろ過面積とを有し、
前記第二浄化器は、前記ディーゼルエンジンのアイドル及び低負荷時に排出される排気ガス量に適合する各部断面積およびろ過面積を有するとともに排気ガスおよび触媒を加熱する加熱器を備え、
該第二浄化器の通路断面積を該第一浄化器の通路断面積より小さくして該第二浄化器側排気ガス流通抵抗を該第一浄化器側排気ガス流通抵抗より大きく形成し、
前記ディーゼルエンジンのアイドル及び低負荷時には、該第一浄化器は低温の排気ガスで目詰まりする一方で該第二浄化器は前記加熱器で昇温された該低温の排気ガスを浄化し、高負荷時には該目詰まりした第一浄化器は高温の排気ガスにより再生されつつ該高温の排気ガスを浄化するディーゼル排気ガス浄化装置。
【請求項２】
前記第一浄化器の浄化手段が、排気ガス中の一酸化窒素の酸化触媒を担持させた反応器の排気ガス下流側に排気ガス中の微粒子状物質を捕捉する前記フィルターを配置する手段、一酸化窒素の酸化触媒を前記フィルターの表面に担持させる手段、および前記フィルターの表面に前記微粒子状物質の酸化触媒を担持させる手段から選ばれた１種以上の手段である請求項１記載のディーゼル排気ガス浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼル排気ガス浄化装置に関し、更に詳細には、ディーゼル機関の排気ガス中に浮遊する微粒子状物質をアイドルから高負荷までの広い範囲で効率よく除去するようにした浄化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンから排出される微粒子状物質（ＰＭ）は、窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、未燃焼炭化水素（ＨＣ）などと共に年々規制が強化されている。それに伴いエンジンの改良のみでは規制値を満足させるための対応ができなくなっているのが現状である。そこで、エンジンから排出される微粒子状物質フィルター（ＤＰＦ）で捕集し、大気中に放出される微粒子状物質量を低減させる技術が採用されようとしている。
【０００３】
従来の微粒子状物質捕捉用フィルターとしては、排気ガスが高温のため耐熱性が要求されるため、セラミック製のモノリシスハニカム型ウォールフロータイプとセラミックや金属を繊維状にしてフィルターにした繊維型フィルタータイプとがある。
【０００４】
なお前記微粒子状物質の主な成分は、一般にディーゼルエンジン負荷が増加すると共に煤成分が増加し、アイドルや低負荷運転では可溶性有機物（ＳＯＦ）が殆どを占める。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、微粒子状物質用フィルターは、微粒子状物質を捕集すると捕集量に比例して圧力損失が上昇する。したがって、フィルターに捕捉された微粒子状物質を燃焼させるなどして除去し、フィルターの再生を図る必要がある。
【０００６】
前記の微粒子状物質を燃焼させてフィルターを再生させる方式としては、電気ヒーター加熱タイプ、バーナー加熱タイプ、逆洗浄タイプなど、従来からいろいろのものの提案がなされている。しかしこれらの方式は、微粒子状物質を燃焼させるために外部からエネルギーを加える必要があるため、燃費の悪化が生じ、装置を大型化させるという欠点がある。これに対し、連続再生型ＤＰＦと呼ばれる装置があり、これは基本的に微粒子状物質の捕集とフィルターの再生とを排気ガスの熱エネルギーで連続して行わせることができるため、一系統のフィルターシステムとして簡素化することができ、燃費の悪化も少なく制御も簡素化できるという利点がある。具体的には以下のようなものが提案されている。
【０００７】
図１に示すＮＯ2 再生型ＤＰＦ装置は、一酸化窒素ＮＯを二酸化窒素ＮＯ2 に酸化するＮＯ酸化反応器１を排気ガス流の上流側に配置し、その下流側にＰＭフィルター２を配置したものをディーゼルエンジン３の排気ガス通路４の途中に介装したものである。なお、図１に示す符号５は消音器、６はバッテリー、７は燃料噴射システム、８は燃料タンクである。
【０００８】
ＮＯ酸化反応器１は多孔質セラミックからなるハニカム構造体に酸化触媒を担持させたものであり、ＰＭフィルター２はセラミック製の通常のウォールフローフィルターである。高温の排気ガスはＮＯ酸化反応器１を通過する際に、排気ガス中のＮＯがＮＯ2 に酸化されるため、ＮＯ酸化反応器１の後流の排気ガス中のＮＯｘの殆どがＮＯ2 になる。ＮＯ2 は酸素（Ｏ2 ）よりエネルギー障壁が小さいため、ＰＭフィルター２に捕捉された微粒子状物質を燃焼除去する温度を低下させ、外部からのエネルギーの供給なしにＰＭフィルタ２を再生することができる。
【０００９】
図２に示すＮＯ2 再生型ＤＰＦ装置は、図１に示すＮＯ2 再生型ＤＰＦ装置を改良したものであり、図２のＡに示すように、酸化触媒９を前記ウォールフロー型フィルターからなるＰＭフィルター２の壁表面に塗布し、ＮＯの酸化と、ＮＯ2 による微粒子状物質の酸化除去とをＰＭフィルター２内で一挙に行わせ、装置を簡素化させたものである。この方式は、触媒をＰＭフィルター２の表面に塗布するため、触媒をフィルター上に展着させる成分の残渣などにより初期のフィルター圧損が増大する傾向がある。
【００１０】
なお前記ウォールフローフィルターは、図２のＡに示したように、前記酸化反応器と同様に多孔質セラミックからなるハニカム構造体であって、ハニカムを構成する壁部10の両側のセル11-1、11-2 は交互に一方の開口をセラミック材11で塞いだ構造のものである。
【００１１】
また図３に示す再生型ＤＰＦ装置は、ＰＭフィルター２に捕捉された微粒子状物質を直接Ｏ2 で酸化する触媒12を塗布したものである。ここでウォールフロー型フィルターの構造を図３の部分拡大断面図Ａにより説明する。
【００１２】
即ち、セル11-1に流入した排気ガスＧは、壁部10内を貫通し、セル11-2から下流側に流出する際に、壁部10の部分で微粒子状物質をＰＭフィルター２に捕捉する構造をしている。したがって直接Ｏ2 で微粒子状物質を酸化する方式は、壁部10の排気ガス流入側表面に触媒12を塗布することにより、この部分に捕捉された微粒子状物質をＯ2 により直接酸化して除去することができる。
【００１３】
上記いずれの触媒も、微粒子状物質の酸化開始温度を低下させる働きをする作用があるが、現在工業的に供給可能な触媒の場合、排気ガス温度として３５０℃程度の温度が必要である。したがってエンジンのアイドルおよび低負荷運転時など、排気ガス温度が３５０℃に達しない場合には捕集された微粒子状物質をＰＭフィルター２から除去し再生することができない。
【００１４】
その結果アイドルや低負荷運転を続けると微粒子状物質がフィルター表面に溜まり、背圧が上昇し燃費が悪化し、最終的にはエンジンが停止するという問題がある。
【００１５】
この問題を解決するための提案として例えば特開平７−１０９９１７号公報に開示された方法は、排気ガスの入り口側に電気ヒーターを設けたウォールフロー型フィルターを設け、捕集された微粒子状物質を伝播燃焼によらないで燃焼させ、その下流側に可溶性有機成分（ＳＯＦ）を燃焼させる酸化触媒と担持させたＳＯＦフィルターを設け、前記ウォールフロー型フィルターと並列的に切換弁付きバイパスを取り付け、低負荷時にはバイパスを通じ排気ガスを直接触媒反応器に通じるようにしたものである。この方法は、高負荷運転時に大量に排出される排気ガスがＳＯＦフィルターに流入するために大型になるという欠点がある。
【００１６】
本発明は、以上の問題に着目してなされたものであり、可燃性有機物の排出が多くなるアイドルおよび低負荷時の排気ガス浄化と、微粒子状物質の排出が多くなる高負荷時の両方の浄化を達成することのできるディーゼル排気ガス浄化装置を提供することを目的としている。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明のディーゼル排気ガス浄化装置は、ディーゼルエンジンの排気ガス中の微粒子状物質をフィルターに捕捉し、酸化して除去する第一浄化器と、主として可溶性有機物からなる前記エンジンの排気ガス中の微粒子状物質をフィルターに捕捉し、酸化して除去する第二浄化器とを前記エンジンの排気ガス通路に並列に接続し、前記第一浄化器は、前記ディーゼルエンジンの高負荷時に排出される大量の排気ガスを流通させるに十分な各部断面積とろ過面積とを有し、前記第二浄化器は、前記ディーゼルエンジンのアイドル及び低負荷時に排出される排気ガス量に適合する各部断面積およびろ過面積を有するとともに排気ガスおよび触媒を加熱する加熱器を備え、該第二浄化器の通路断面積を該第一浄化器の通路断面積より小さくして該第二浄化器側排気ガス流通抵抗を該第一浄化器側排気ガス流通抵抗より大きく形成し、前記ディーゼルエンジンのアイドル及び低負荷時には、該第一浄化器は低温の排気ガスで目詰まりする一方で該第二浄化器は前記加熱器で昇温された該低温の排気ガスを浄化し、高負荷時には該目詰まりした第一浄化器は高温の排気ガスにより再生されつつ該高温の排気ガスを浄化するものである。
【００１８】
前記第二浄化器は主として排気ガス量の少ない低負荷運転時に浄化機能を発揮させるため、排気ガス温度を触媒活性化温度に保持する必要がある。したがって前記加熱器は、制御器により温度を制御することが好ましい。加熱方式には特に限定はないが、通常電気ヒーターを使用する。
【００１９】
前記構成によれば、排気ガスは第一浄化器と第二浄化器との流れ易い方に多く流れる。したがって、高負荷運転時には流通抵抗の小さい第一浄化器側に多く流れるが、第二浄化器にも少量流入する。この場合第二浄化器は、加熱器を設けているので、捕捉された微粒子状物質は酸化・除去することかできフィルターの目詰まりを起こすおそれはない。
【００２０】
これに対し、アイドルおよび低負荷運転時には排気ガス量が現象するので当然流通抵抗の小さい第一浄化器に排気ガスは流入する。しかしながら第一浄化器には加熱器が無いので可溶性有機物を酸化・除去することができず徐々に流通抵抗が高まるのに対し、第二浄化器は加熱器がついているので浄化が行われる。
【００２１】
ところで、低負荷運転から高負荷運転に転じた場合には、前記理由で第一浄化器の流通抵抗が増加しているため当初浄化機能を十分発揮することができず、第二浄化器により浄化が行われる。しかしながら、高温の排気ガスの流入により浄化機能が回復し、結局排気ガスの浄化は第一浄化器が主体となって行われるようになる。
【００２２】
以上説明した本発明の作用は、対象とするエンジンごとに、第一浄化器と第二浄化器との流通抵抗をバランスよく設計することにより効率よく生じさせることができ、負荷変動に対する浄化機能の低下と背圧発生によるエンジントラブルの発生を防止できる。
【００２３】
本発明において低負荷とは、排気ガス中の微粒子状物質の殆どが可溶性有機物（ＳＯＦ）となる負荷状態を指し、高負荷とは前記に対し煤成分が増加した負荷状態をいう。
【００２４】
本発明は、排気ガスを第一浄化器と第二浄化器とに通じる分枝部に切換弁を設け排気ガスを択一的にいずれかの浄化器に流入させて実施することができる。この場合エンジンの負荷などを検出して切換弁を制御することができる。
【００２５】
本発明に使用する第一浄化器の浄化手段は、排気ガス中の一酸化窒素の酸化触媒を担持させた反応器の排気ガス下流側に排気ガス中の微粒子状物質を捕捉する前記フィルターを配置する手段、一酸化窒素の酸化触媒を前記フィルターの表面に担持させる手段、および前記フィルターの表面に前記微粒子状物質の酸化触媒を担持させる手段から選ばれた１種以上の手段を採用することができる。
【００２６】
本発明に使用する酸化触媒は、 一般に使用される酸化触媒を適宜使用することができる。但し可溶性有機物の酸化触媒は排気ガス温度が低い状態で使用するため、 白金（Ｐｔ）系の強酸化触媒を使用することが好ましい。この場合には、１５０℃程度の比較的低温の排気ガス温度で酸化除去することができ、 排気ガス加熱エネルギーの消費を低減させることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下添付の図面を参照する一実施の形態を示し、本発明のディーゼル排気ガス浄化装置を具体的に説明する。
【００２８】
図４に示す本実施の形態のディーゼル排気ガス浄化装置15は、ディーゼルエンジン３の排気ガス通路４を分岐し、一方を第一浄化器16に、他方を第二浄化器17にそれぞれ接続するようにしたものである。なお図４の符合18は電子制御による制御器である。
【００２９】
第一浄化器16は、排気ガス中のＮＯをＮＯ2 に酸化させるために、酸化触媒（図示せず）を担持させたハニカム構造のＮＯ酸化反応器１を上流側に配置し、その下流側にウォールフロー型フィルターのフィルター面に微粒子状物質を捕集するＰＭフィルター２を配置し、エンジン３の高負荷時に排出される大量の排気ガスを流通させるに十分な各部断面積とろ過面積とを与えるようにした。
【００３０】
また第二浄化器17は、エンジン３の排気ガス中の可溶性有機物を酸化させるために、フィルター面に可溶性有機物の酸化触媒（図示せず）を担持させたウォールフロー型フィルターのフィルター18を配置し、その周囲および上流側に、触媒および排気ガス加熱用の電気ヒーターからなるヒータ19を配置した。そして、エンジン３のアイドルおよび低負荷時に排出される排気ガス量に適合する各部断面積およびろ過面積として、第一浄化器16の排気ガス流通抵抗より高い流通抵抗となるようにした。
【００３１】
制御器20は、エンジン回転センサ、負荷状態センサ（いずれも図示せず）、温度センサ21が検出した排気ガス温度などの入力データに基づき、ヒータ19に通電して第二浄化器に流入する排気ガス温度を酸化触媒の活性温度に維持する。
【００３２】
したがって排気ガスは、第一浄化器16および第二浄化器17それぞれの流通抵抗に基づき分配されて流れる。この場合アイドルまたは低負荷運転時には排気ガス温度が低くなるので第一浄化器16の酸化機能は低下しＰＭフィルター２は目詰まりするが、第二浄化器17が十分な再生機能を維持するように作られているので浄化機能に支障は起こらない。
【００３３】
また低負荷運転から高負荷運転に切り替わった場合は、第一浄化器16は目詰まりにより流通抵抗が上昇しているが、第二浄化器17が浄化能力を有しているので浄化機能を維持することができる。その間、第一浄化器16にも高温の排気ガスが流入するので急速にフィルターの再生機能が回復する。したがって、大量の排気ガスが流入するために背圧が上昇してエンジン３に支障が生じることはない。
【００３４】
本発明の別の実施の形態として、排気ガス通路４を第一浄化器16と第二浄化器17とに分岐する部分に切換弁を設け、エンジン３の負荷状況に合わせ排気ガスの流れを制御することもできる。
【００３５】
また、第一浄化器16は図４に示した手段のみでなく、他の方式、例えば図２，３によって説明した構成の微粒子状物質の捕捉および再生方法により実施することができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のディーゼル排気ガス浄化装置は、高負荷運転時に適合して排気ガス中の微粒子状物質（ＰＭ）の浄化を連続的に行う第一浄化器と、アイドルまたは低負荷運転時に適合して排気ガス中の微粒子状物質（ＰＭ）の浄化を連続的に行う第二浄化器とを並列的に配置して浄化を行うようにしたので、エンジンストールなどの不具合を生じることがなく、またフィルター機能再生のために複雑な制御を行うことなく排気ガス中の粒子状物質をアイドルから高負荷運転までの広範囲にわたって安定して行わせることができ、第二浄化器は小型のもので実現できるため、高い信頼性の浄化装置を低コストで供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のディーゼル排気ガス中の微粒子状物質の捕捉・再生方法の概要説明図である。
【図２】図１と別の方式による従来のディーゼル排気ガス中の微粒子状物質の捕捉・再生方法の概要説明図である。
【図３】図１および２と別の従来のディーゼル排気ガス中の微粒子状物質の捕捉・再生方法の概要説明図である。
【図４】本発明の一実施の形態によるディーゼル排気ガス浄化装置の概要説明図である。
【符号の説明】
１  ＮＯ酸化反応器
２  ＰＭフィルター
３  ディーゼルエンジン
４  排気ガス通路
15  ディーゼル排気ガス浄化装置
16  第一浄化器
17  第二浄化器
18  フィルター
19  加熱器（ヒータ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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