JP2010048111A - 排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ＮＯｘ浄化触媒装置、酸化触媒装置、触媒付きフィルタ装置等の触媒作用を利用する排気ガス浄化装置を備えた排気ガス浄化システムにおいて、触媒の浄化性能の温度依存性と高温処理が必要とされる脱硫処理を考慮して、触媒の浄化性能を速やかに且つ効率よく利用できる排気ガス浄化システムと排気ガス浄化方法を提供する。
【解決手段】排気ガスＧ中の有害成分を浄化する触媒を担持した排気ガス浄化装置１０を備えた排気ガス浄化システム１において、前記排気ガス浄化装置１０の触媒を担持した部分を筒状の仕切り壁１３により外周部１１と中央筒部１２の二つに分けて、内燃機関の排気通路２と前記外周部１１との間に設けた第１バルブ１６の開弁により排気ガスＧを前記外周部１１に流し、前記排気通路２と前記中央筒部１２との間に設けた第２バルブ１８の開弁により排気ガスＧを前記中央筒部１２に流すように構成すると共に、前記筒状の仕切り壁１３を遮熱構造に形成する。
【選択図】図１
【解決手段】排気ガスＧ中の有害成分を浄化する触媒を担持した排気ガス浄化装置１０を備えた排気ガス浄化システム１において、前記排気ガス浄化装置１０の触媒を担持した部分を筒状の仕切り壁１３により外周部１１と中央筒部１２の二つに分けて、内燃機関の排気通路２と前記外周部１１との間に設けた第１バルブ１６の開弁により排気ガスＧを前記外周部１１に流し、前記排気通路２と前記中央筒部１２との間に設けた第２バルブ１８の開弁により排気ガスＧを前記中央筒部１２に流すように構成すると共に、前記筒状の仕切り壁１３を遮熱構造に形成する。
【選択図】図１
Description
本発明は、排気ガス浄化装置の触媒を担持した部分を外周部と中央筒部の二つに分けて、外周部と中央筒部の間に遮熱構造の筒状の仕切り壁を形成した排気ガス浄化装置を備えた排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法に関する。
内燃機関の排気ガスを浄化するための装置の一つに、排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）の浄化のためのＮＯｘ浄化触媒装置がある。このＮＯｘ浄化触媒装置の一つに、アルカリ金属又はアルカリ土類金属を貴金属と共に担持して、酸素過剰な排気ガス中のＮＯ（一酸化窒素）を酸化して硝酸塩として触媒上に吸着させて、ＮＯｘを浄化するＮＯｘ吸蔵還元型触媒を担持した装置がある。このＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、排気ガスが酸素過剰なリーン空燃比状態では、ＮＯｘを吸蔵し、酸素濃度が低いか、空燃比が１より小さいリッチ空燃比状態では、吸蔵したＮＯｘを放出すると共に、この放出されたＮＯｘを還元雰囲気中で還元して、ＮＯｘを低減する。
また、排気ガス浄化装置の別の装置として、ＮＯｘを吸蔵することはできないが、貴金属を主に担持して、その酸化作用により、ＣＯ（一酸化炭素）やＨＣ（炭化水素）を酸化除去する酸化触媒装置がある。更に、排気ガス中のＰＭ（微粒子状物質）を捕集して、フィルタに担持した酸化触媒やＰＭ酸化触媒により酸化除去する触媒付きフィルタ装置がある。
これらの触媒装置と触媒付きフィルタ装置を使用して、内燃機関から排出される排気ガス中のＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣ、ＰＭ等の有害成分を浄化して、これらの有害成分の大気中への放出量を排出基準以下にまで下げている。
しかしながら、これらの触媒を使用した排気ガスの後処理システムでは、触媒が活性化して、浄化反応が可能となる温度まで触媒を昇温させる必要がある。触媒の種類にもよるが、概略、２００℃〜２５０℃の温度に到達すると、その浄化反応を開始する。しかし、この活性化温度に到達するまでは排気ガス中の有害成分を触媒反応で除去することはできず、大気中へ有害成分がそのまま排出されてしまうという問題がある。言い換えれば、触媒を使った後処理システムでは、触媒が浄化反応を始める温度への到達時間が短ければ、その分だけ大気中へ放出される有害成分の量を減らすことができる。
これに関連して、触媒の上流に流路制御機構を設けて、排気ガスの温度が低い時には触媒の中心部に排気ガスの流れを集中して、触媒温度の活性化温度への到達を早くし、排気ガスの温度が高い時には触媒の周辺部に集中して排気ガスを流し、排気ガスが高温となっても、触媒でのサルフェートの生成、及び堆積を防止するディーゼルエンジンの触媒コンバータが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
このディーゼルエンジンの触媒コンバータでは、触媒コンバータのハウジングの外表面に複数の冷却ファンを設けると効果的であるとし、サルフェートの生成を抑えるために、排気ガスが高温状態になった時に、排気ガスを、触媒の中央部には流さずに、温度が低い触媒の周辺部に集中して通過させている。
しかしながら、外周部の温度を低温に保つことは、サルフェートの生成を抑えることには有効であると思われるが、ＮＯｘ浄化の面では触媒の活性化温度以上に触媒全体の温度を上げる必要があるので、外周部の低温化はＮＯｘ浄化の面からは好ましくない。また、触媒内に生成したサルフェートを除去するために、外周部の温度を上げて脱硫させる場合に、触媒の外周部の温度上昇が難しく、脱硫再生が難しいという問題がある。
また、酸化触媒を担持させた高温排気ガス処理部を中央に、加熱手段を取り付けた低温排気ガス処理部を周辺に設けて、排気ガス温度が酸化触媒活性化温度以下である場合には、加熱手段を作動させて排気ガスを酸化触媒活性化温度以上に加熱して低温排気ガス処理部に流して、始動時や排気ガス温度が低下した場合における排気ガス浄化効率を向上させ、また、排気ガス温度が酸化触媒活性化温度以上である場合には、加熱手段の作動を停止し、排気ガスを高温排気ガス処理部に流して、酸化触媒による有害成分の浄化を行う自動車用排気ガス処理装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
この自動車用排気ガス処理装置では、排気ガス温度が高い場合には高温排気ガス処理部と低温排気ガス処理部に排気ガスを流して浄化し、また、エンジンの始動時や排気ガスが高温から低温になった場合には、経路を切り換えて、加熱手段経由で周辺部の低温排気ガス処理部に流入させる。これにより排気ガスを加熱手段で触媒活性化温度以上に加熱し、この加熱された排気ガスを低温排気ガス処理部に流入させて浄化している。
しかしながら、一般的には、放熱の関係から、触媒の中央部が高い温度に成り易く、周辺部は低い温度に成り易いので、低温排気ガス処理部を周辺側に設けているこの自動車用排気ガス処理装置の構成は熱効率が悪いという問題がある。
これに対して、本発明者は、触媒を加熱する昇温時間を短くする手段として、触媒を担持した部分の熱容量を変化させて、エンジン始動直後など排気温度が低い場合には、触媒を担持した部分の中央部分のコアのみに排気ガスを流して、加熱される触媒を担持した部分の熱容量を小さくして昇温時間を短くすることを考えた。
特開平１０−２９９４６５号公報
特開２００２−２９５２３３号公報
本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、ＮＯｘ浄化触媒装置、酸化触媒装置、触媒付きフィルタ装置等の触媒作用を利用する排気ガス浄化装置を備えた排気ガス浄化システムにおいて、触媒の浄化性能の温度依存性と高温処理が必要とされる脱硫処理を考慮して、触媒の浄化性能を速やかに且つ効率よく利用できる排気ガス浄化システムと排気ガス浄化方法を提供することにある。
上記の目的を達成するための本発明の排気ガス浄化システムは、排気ガス中の有害成分を浄化する触媒を担持した排気ガス浄化装置を備えた排気ガス浄化システムにおいて、前記排気ガス浄化装置の触媒を担持した部分を筒状の仕切り壁により外周部と中央筒部の二つに分けて、内燃機関の排気通路と前記外周部との間に第１バルブを、前記排気通路と前記中央筒部との間に第２バルブを設け、前記第１バルブを開くことにより排気ガスを前記外周部に流し、前記第２バルブを開くことにより排気ガスを前記中央筒部に流すように構成すると共に、前記筒状の仕切り壁を遮熱構造に形成して構成する。
この構成によれば、触媒を担持した部分を遮熱構造の筒状の仕切り壁により２つに分けて、各部分における熱容量を減少したので、暖機運転の場合等、触媒の温度を速やかに活性化温度以上に昇温する必要がある場合には、熱容量が触媒の全体に比べて減少した一方の触媒側（例えば、中央筒部側）のみに排気ガスを流すことにより、速やかに触媒の温度を上昇して、触媒を活性化できる。
このときに、外周部と中央筒部との間の筒状の仕切り壁を遮熱構造に形成して、熱の移動を抑制して外周部への熱伝達で失われる熱量を減少するように構成しているので、排気ガスの熱を中央筒部の昇温に効率よく利用でき、中央筒部の触媒を迅速に昇温できる。
また、排気ガスの温度が高くなって排気ガスの容積流量が大きくなった場合には、他方の触媒（例えば、外周部側）にも排気ガスを流すことにより、排気ガスは通過する部分の容積を増やして、排気ガス浄化装置の排気ガスに対する空間速度を下げて、触媒との接触時間を長くして触媒反応を促進することができるので、排ガスの流量と共に増加した有害成分に対しても十分な浄化ができる。
なお、この有害成分を浄化する触媒を担持した排気ガス浄化装置としては、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒、ＮＯｘ直接還元型触媒、選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ触媒）、酸化触媒、三元触媒、触媒付きフィルタ等がある。
上記の排気ガス浄化システムにおいて、前記中央筒部の触媒の温度を指標する第１指標温度が予め設定した第１判定温度以下では、前記第１バルブを閉じると共に前記第２バルブを開いて排気ガスを前記中央筒部のみに流し、前記第１指標温度が前記第１判定温度を越えたときには、前記第２バルブを開いたまま前記第１バルブを開いて排気ガスを前記中央筒部と前記外周部の両方に流すように構成される。
この「第１指標温度」は、中央筒部の触媒の温度そのもの又はその温度を指標する温度のことを言う。これは、触媒の温度を直接計測するのは難しい場合が多いので、代わりにこの触媒の温度に密接な関係を持った温度、例えば、中央筒部に流入する排気ガスの温度や中央筒部から流出する排気ガスの温度を用いることもある。そのため、この代わりに用いる温度も含む表現として「第１指標温度」と表現している。
また、第１判定温度は触媒の活性化温度以上の温度であり、触媒の種類にもよるが、２００℃〜３００℃の範囲内の温度であり、例えば２５０℃に設定される。第１指標温度がこの第１判定温度になるまで、外周部には排気ガスが流れない。
この構成によれば、エンジン始動直後の暖機運転や低負荷運転のときには、第１指標温度が低く、排気ガスの容積流量も小さいので保温性が良い中央筒部に排気ガスを流して、中央筒部の触媒を迅速に昇温して、活性化までの時間を短縮することができる。また、第１指標温度が高く排気ガスの容積流量が大きいときには、中央筒部と外周部の両方に排気ガスを流して、排気ガスが通過する部分の容積を増やして、排気ガスに対する空間速度を下げて、排気ガスが触媒に接触する時間を長くして触媒反応を促進することができる。
上記の排気ガス浄化システムにおいて、前記触媒としてＮＯｘ吸蔵還元型触媒を用いると共に、前記中央筒部には、ＮＯｘ吸蔵材としてカリウムを担持させ、前記外周部には、ＮＯｘ吸蔵材としてバリウムを担持させて構成する。
この構成によれば、高温用（４５０℃〜５５０℃）のカリウムを高温の排気ガスの通過が多く、ＮＯｘ浄化処理中に全体としての平均温度が高い中央筒部に設け、低温用（２５０℃〜４５０℃）のバリウムを、低温の排気ガスの通過が多く、ＮＯｘ浄化処理中に全体としての平均温度が低い外周部に設けているので、異なった触媒成分を温度特性に合わせて配置することにより、より効率よくＮＯｘ吸蔵性能を発揮させることができる。
上記の排気ガス浄化システムにおいて、脱硫処理を行っている場合に、前記中央筒部の触媒の温度を指標する第１指標温度が予め設定した第２判定温度以下では、前記第１バルブを閉じると共に前記第２バルブを開いて排気ガスを前記中央筒部のみに流し、前記第１指標温度が前記第２判定温度を超えてから、前記第１指標温度が前記第２判定温度を超えた時間の総和である第１脱硫処理時間が予め設定された第１判定時間を経過するまでは、前記第１バルブと前記第２バルブの開閉状態をそのまま継続し、前記第１脱硫処理時間が前記第１判定時間を経過したときに、前記第１バルブを開いて前記第２バルブを閉じて排気ガスを前記外周部のみに流し、更に、前記外周部の触媒の温度を指標する第２指標温度が予め設定した第３判定温度を超えると、前記第２指標温度が前記第３判定温度を超えた時間の総和である第２脱硫処理時間が予め設定した第２判定時間を経過するまでは、前記第１バルブと前記第２バルブの開閉状態をそのまま継続し、前記第２脱硫処理時間が前記第２判定時間を経過すると、脱硫処理を終了するように構成する。
この「第１指標温度」は、中央筒部の触媒の温度そのもの又はその温度を指標する温度のことを言い、この「第２指標温度」は、外周部の触媒の温度そのもの又はその温度を指標する温度のことを言う。これは、触媒の温度を直接計測するのは難しい場合が多いので、代わりにこの触媒の温度に密接な関係を持った温度、例えば、中央筒部又は外周部に流入する排気ガスの温度や中央筒部又は外周部から流出する排気ガスの温度を用いることもある。そのため、この代わりに用いる温度も含む表現として「第１指標温度」「第２指標温度」と表現している。
また、第２判定温度及び第３判定温度は、中央筒部又は外周部の触媒の脱硫処理が可能となる温度以上の温度であり、触媒の種類にもよるが、６５０℃〜７５０℃の範囲内の温度であり、例えば７００℃と６５０℃に設定される。なお、通常は熱劣化という理由から、第３判定温度は第２判定温度よりも低く設定される。
また、第１判定時間は、中央筒部の触媒の脱硫処理が完了するまでの時間であり、第２判定時間は、外周部の触媒の脱硫処理が完了するまでの時間である。これらの時間は、予め行った実験の結果等に基づいて設定される。なお、通常は低温用のＮＯｘ吸蔵還元型触媒で使用するバリウムの方が高温用のＮＯｘ吸蔵還元型触媒で使用するカリウムよりも脱離し易いという理由から第２判定時間は第１判定時間よりも短く設定される。
この構成によれば、触媒を高温にする必要がある脱硫処理において、第１指標温度が第２判定温度を超えてから第１判定時間を超えるまでは、筒状の仕切り壁の遮熱構造により保温性がよく昇温が早い中央筒部に排気ガスを流して、この中央筒部の脱硫処理を完了するまで行う。また、中央筒部の脱硫処理が完了したら、中央筒部に比べて触媒の昇温が遅れ易い外周部に排気ガスを流して外周部の脱硫処理を集中的に行う。そのため、触媒全体の脱硫を効率よく行うことができる。
例えば、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒では、ＮＯｘ浄化性能は硫黄の吸着により悪化する。この硫黄の吸着は約６００℃以下の温度で生じるが、その一方で、脱硫には約６５０℃以上の高温を必要とする。従って、硫黄の吸着は高温には達し難い触媒の外周部にまで及ぶことになるが、脱硫では、触媒温度を更に高い温度にする必要がある。しかし、外周部は容易に高温に達しないため、硫黄が残留し易いという問題がある。
この問題に対して、本発明では、筒状の遮熱構造（仕切り壁）を触媒を担持する部分の径方向の内側と外側の間に設けて、中央筒部と外周部を形成し、脱硫処理の後半で外周部だけの脱硫処理を行って、排気ガスが通過し難く温度も上がり難い外周部を、執拗に脱硫処理することで、触媒の全体に亘って十分な脱硫を行うことができるようになる。
その結果、触媒の浄化性能の維持に必要な還元処理、言い換えれば、触媒の浄化能力を回復する再生処理のための時間や回数を減少できるので、この再生処理で必要な燃料消費量を低減できる。従って、車両に搭載する触媒の容量を減少して、搭載性を確保すると共にコストを低減することができる。また、脱硫処理において、冷え易い触媒の外周部のみを高温に加熱することで中央筒部が過剰な高温に晒されて触媒が劣化することを抑制することができる。
また、更に、外周部の周囲に保温構造を設けると、脱硫処理時において外周部の触媒をより効率よく昇温することができるようになる。
また、脱硫処理を外周部と中央筒部とに分けて行うようにして、外周部と中央筒部の脱硫処理の回数を変化させるように構成でき、この場合は、比較的硫黄の吸着し難い外周部の処理回数を減らすことと、中央筒部分の加熱処理時間を減らすことで、脱硫処理に使用される燃料消費量を低減することも可能となる。
そして、上記の目的を達成するための本発明の排気ガス浄化方法は、排気ガス中の有害成分を浄化する触媒を担持した排気ガス浄化装置を備えた排気ガス浄化システムの排気ガス浄化方法において、前記排気ガス浄化装置の触媒を担持した部分を筒状の仕切り壁により外周部と中央筒部の二つに分けて前記筒状の仕切り壁を遮熱構造に形成して前記外周部と前記中央筒部との間を遮熱し、前記中央筒部の触媒の温度を指標する第１指標温度が予め設定した第１判定温度以下では、内燃機関の排気通路と前記外周部との間に設けた第１バルブを閉じると共に、前記排気通路と前記中央筒部との間に設けた第２バルブを開いて排気ガスを前記中央筒部のみに流し、前記第１指標温度が前記第１判定温度を越えたときには、前記第２バルブを開いたまま前記第１バルブを開いて排気ガスを前記中央筒部と前記外周部の両方に流すことを特徴とする方法である。この第１指標温度と第１判定温度は上記の第１指標温度と第１判定温度と同様である。
この方法によれば、エンジン始動直後の暖機運転や低負荷運転のときには、第１指標温度が低く、排気ガスの容積流量も小さいので保温性が良い中央筒部に排気ガスを流して、中央筒部の触媒を迅速に昇温して、活性化までの時間を短縮することができる。また、第１指標温度が高く排気ガスの容積流量が大きいときには、中央筒部と外周部の両方に排気ガスを流して、排気ガスが通過する部分の容積を増やして、排気ガスに対する空間速度を下げて、排気ガスが触媒に接触する時間を長くして触媒反応を促進することができる。
上記の排気ガス浄化方法において、脱硫処理を行っている場合に、前記中央筒部の触媒の温度を指標する第１指標温度が予め設定した第２判定温度以下では、前記第１バルブを閉じると共に前記第２バルブを開いて排気ガスを前記中央筒部のみに流し、前記第１指標温度が前記第２判定温度を超えてから、前記第１指標温度が前記第２判定温度を超えた時間の総和である第１脱硫処理時間が予め設定された第１判定時間を経過するまでは、前記第１バルブと前記第２バルブの開閉状態をそのまま継続し、前記第１脱硫処理時間が前記第１判定時間を経過したときに、前記第１バルブを開いて前記第２バルブを閉じて排気ガスを前記外周部のみに流し、更に、前記外周部の触媒の温度を指標する第２指標温度が予め設定した第３判定温度を超えると、前記第２指標温度が前記第３判定温度を超えた時間の総和である第２脱硫処理時間が予め設定した第２判定時間を経過するまでは、前記第１バルブと前記第２バルブの開閉状態をそのまま継続し、前記第２脱硫処理時間が前記第２判定時間を経過すると、脱硫処理を終了するように構成する。
この方法によれば、脱硫処理を完全に行うことができるようになるので、触媒の浄化能力を回復する再生処理のための時間や回数を減少できる。そのため、この再生処理で必要な燃料消費量を低減できる。従って、車両に搭載する触媒の容量を減少して、搭載性を確保すると共にコストを低減することができる。また、脱硫処理において、冷え易い触媒の外周部のみを高温に加熱することで中央筒部が過剰な高温に晒されて触媒が劣化することを抑制できる。
本発明に係る排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法によれば、ＮＯｘ浄化触媒装置、酸化触媒装置、触媒付きフィルタ装置等の触媒を用いた排気ガス浄化装置において、触媒の浄化性能の温度依存性を考慮して、触媒の浄化性能を速やかに且つ効率よく利用できる。
つまり、触媒担持した部分を遮熱構造の筒状の仕切り壁により２つに分けて、分割された部分の熱容量を減少したので、暖機運転の場合等に、触媒の温度を速やかに上げる必要がある場合には、熱容量の小さい部分に排気ガスを流すことにより、速やかに触媒の温度を上昇して活性化できる。
このときに、中央筒部と外周部との間に筒状の仕切り壁を遮熱構造に形成して、熱の移動を抑制して中央筒部と外周部の間での熱移動で失われる熱量を減少しているので、排気ガスの熱を触媒担持部分の昇温に効率よく利用できる。従って、その分、触媒を迅速に昇温でき、活性化した触媒で効率よく排気ガス中の有害成分を浄化できる。
また、排気ガスの温度が上がり排気ガスの流量の容積が大きくなった場合には、全部の触媒に排気ガスを流すことにより、触媒の容積を増やして、触媒の排気ガスに対する空間速度を下げることができ、これにより、排気ガスが触媒と接触する時間を長くして触媒反応を促進することができる。
以下、本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法について、図面を参照しながら説明する。
図１に、本発明の実施の形態の排気ガス浄化システム１の構成を示す。この排気ガス浄化システム１は、エンジン（内燃機関）の排気通路２に、排気ガスＧ中の有害成分を浄化する触媒を担持したＮＯｘ浄化触媒装置、酸化触媒装置、触媒付きフィルタ装置のいずれか又は幾つかの組み合わせで形成される排気ガス浄化装置１０を配置して構成される。
この排気ガス浄化装置１０が、酸化触媒を担持した酸化触媒装置の場合には、排気ガス中のＨＣ（炭化水素）を酸化して排気ガス温度を上昇させたり、排気ガス中のＮＯ（一酸化窒素）を酸化してＮＯ2 （二酸化窒素）にしてＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化し易くしたりするために、多孔質のセラミックのハニカム構造等の担持体に、白金等の酸化触媒を担持させて形成される。
また、排気ガス浄化装置１０がＮＯｘ吸蔵還元型触媒を担持したＮＯｘ浄化触媒装置の場合には、排気ガス中のＮＯｘを浄化するために、モノリス触媒で形成される。このモノリス触媒のコージェライトハニカム等の担持体に酸化アルミニウム、酸化チタン等の触媒コート層を設ける。この触媒コート層に、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）等の触媒金属と、バリウム（Ｂａ）等のＮＯｘ吸蔵材（ＮＯｘ吸蔵物質）とからなるＮＯｘ吸蔵還元触媒を担持させて構成される。
このＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、酸素濃度が高い排気ガスの状態、即ち、空燃比リーン状態の時に、排気ガス中のＮＯｘをＮＯｘ吸蔵材が吸蔵することにより、排気ガス中のＮＯｘを浄化し、酸素濃度が低いか空燃比が１より小さい空燃比リッチ状態か、あるいは、空燃比が１の空燃比ストイキ状態の時に、吸蔵したＮＯｘを放出すると共に、この放出されたＮＯｘを触媒金属の触媒作用により還元することにより、大気中へのＮＯｘの流出を防止する。
このＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、空燃比リーン状態が継続すると、ＮＯｘ吸蔵材が硝酸塩に変化してしまうため、ＮＯｘ吸蔵能力が飽和する前に、排気ガスを空燃比リッチ状態にする再生制御を行って、吸蔵したＮＯｘを放出及び還元して、ＮＯｘ吸蔵能力を回復している。
また、排気ガス浄化装置１０が、触媒付きフィルタ装置の場合には、排気ガス中のＰＭ（微粒子状物質）を浄化するために、多孔質のセラミックのハニカムのチャンネル（排気ガスの通路）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等で形成される。このフィルタの部分に、比較的高温ではＰＭやＨＣの酸化を促進するように、また、比較的低温ではＨＣを吸着できるように、白金や酸化セリウム等の触媒が担持される。排気ガス中のＰＭは、この触媒付きフィルタ装置の多孔質セラミックの壁で捕集される。
この触媒付きフィルタ装置では、ＰＭの捕集量が増加して圧力損失が増加するのを防止するために、ＰＭの捕集量が所定の捕集量を超えた場合や触媒付きフィルタ装置の前後差圧が所定の差圧量を超えた場合に、排気ガス温度を上昇して、触媒付きフィルタ装置をＰＭの燃料温度以上に昇温する排気昇温制御を行う。この排気昇温制御では、未燃燃料供給制御を含む空燃比リッチ制御が行われる。
本発明では、この排気ガス処理装置１０の触媒を担持した部分を、図１及び図３に示すように、外周部１１と中央筒部１２の二つに分けて、その間隙に筒状のリングである仕切り壁１３を遮熱構造に形成して配置する。更に、その外周部１１の周囲に保温のための遮熱性を有する保温構造１４を設けて構成する。この保温構造１４は触媒の格納容器としての役割も果たすように構成される。
この中央筒部１２を円筒形状に形成し、外周部１１をその周囲に設けて、排気ガス浄化装置１０を円筒形状に形成した場合には、この中央筒部１２の外径ＲＡと、外周部の外径ＲＢの比を、昇温時間を基にして、触媒の使用条件を考慮して設定する。言い換えれば、中央筒部の断面積と外周部の断面積の比を昇温時間を基にして触媒の使用条件を考慮して設定する。
例えば、触媒を担持した部分の断面積を同じにして、中央筒部１２の容積と外周部１１の容積を等しいものとして形成し、触媒の加熱に必要な熱量を変えずに、触媒を担持した部分の熱容量を半減するようにして、中央筒部１２にのみに排気ガスＧを流すように構成すると、この場合には、エンジンの始動直後から触媒の温度Ｔｃ２を所定の温度（例えば、２００℃）まで昇温させるのに必要な時間は約半分となり、触媒が活性化するまでの排気ガス中の有害成分の排出量を減らすことが可能となる。また、排気温度が高く排気ガスＧの容積流量が増えた場合には外周部１１の触媒にも排気ガスＧを流す。これにより、増加した有害成分量に対して、排気ガスが通過する触媒を担持した部分の容積を増やして空間速度を下げて、排気ガスの有害成分が触媒に接触する時間を長くする。従って、排気ガスの有害成分に対する十分な浄化が可能となる。
筒状の仕切り壁１３は、図４に示すように、波板１３ａを間に挟んだ二枚の板１３ｂ、１３ｃで形成された二重壁構造を折り曲げてリング状に形成し、長さ方向の両端部を排気ガスが流入及び流出ができないように閉塞して構成する。このリング状の波板１３ａによって、二枚の板１３ｂ、１３ｃとの接触面積を減少して熱伝導による熱の移動を減少すると共に、波板１３ａと二重壁１３ｂ、１３ｃとの間に形成した空間部１３ｄに空気を充填し、この熱伝導率の低い空気により遮熱性を増加する。
外周部１１を囲う保温構造１４は、空気を多量に含む発泡材等で形成し、保温性と遮熱性（断熱性）を高めると共に、触媒の担持体を格納する容器としての役割も果たすように構成される。この保温構造１４を設けることにより、触媒の活性化時や脱硫処理時において、触媒をより効率よく昇温することができるようになる。
更に、エンジンの排気通路２と外周部１１との間の第１通路１５に第１バルブ１６を、排気通路２と中央筒部１２との間の第２通路１７に第２バルブ１８を設ける。この第１バルブ１６を開くことにより排気ガスＧを外周部１１に流し、第２バルブ１８を開くことにより排気ガスＧを中央筒部１２に流すように構成する。
また、中央筒部１２の触媒の温度Ｔｃ１を測定するために、温度センサである熱電対１９を中央筒部１２の下流側の外周部位に配置すると共に、外周部１１の触媒の温度Ｔｃ２を測定するために、熱電対２０を外周部１１の下流側の外周部位に配置する。更に、排気ガス浄化装置１０に流入する排気ガスＧの温度Ｔｇを測定するために、熱電対２１を排気ガス浄化装置１０の上流側の排気通路２に配置する。
これらの熱電対１９、２０、２１の計測値Ｔｃ１、Ｔｃ２、Ｔｇは、エンジンの運転を制御するエンジン制御装置（ＥＣＵ）３に入力され、これらの計測値Ｔｃ１、Ｔｃ２、Ｔｇに基づいて、第１バルブ１６と第２バルブ１８の開閉操作が行われる。
この構成によれば、触媒を担持した部分１１、１２を遮熱構造の筒状の仕切り壁１３により二つに分けて、各部分１１、１２の熱容量を減少したので、暖機運転の場合等、触媒の温度を速やかに活性化温度以上に上げる必要がある場合には、触媒を担持した部分の熱容量が全体に比べて減少した中央筒部１２側のみに排気ガスＧを流すことにより、速やかに触媒の温度を上昇して触媒を活性化できる。
このときに、外周部１１と中央筒部１２との間に設けた筒状の仕切り壁１３を遮熱構造に形成して、熱の移動を抑制して中央筒部１２から外周部１１へ移動する熱量を減少しているので、排気ガスＧの熱を中央筒部１２の昇温に効率よく利用でき、その分中央筒部１２の触媒の温度を迅速に昇温できる。また、保温構造１４も中央筒部１２の昇温に間接的に寄与する。
また、排気ガスＧの温度Ｔｇが上がり排気ガスＧの容積流量が大きくなった場合には、中央筒部１２に排気ガスＧを流しつつ、外周部１１側にも排気ガスＧを流すことにより、排気ガスが通過する触媒を担持した部分の容積を増やして、排気ガスＧに対する空間速度を下げて、排気ガスＧが触媒に接する時間を長くして触媒反応を促進することができる。この場合においては、保温構造１４により、外周部１１の触媒の温度の上昇が促進される。
また、この排気ガス浄化システム１において、排気ガス浄化装置１０がＮＯｘ浄化触媒装置であって、触媒としてＮＯｘ吸蔵還元型触媒を使用する場合には、中央筒部１２には、ＮＯｘ吸蔵材としてカリウムを担持させ、外周部１１には、ＮＯｘ吸蔵材としてバリウムを担持させて構成することが好ましい。
この構成によれば、高温用（４５０℃〜５５０℃）のカリウムを高温の排気ガスの通過が多く、ＮＯｘ浄化処理中に全体としての平均温度が高い中央筒部１２に設け、低温用（２５０℃〜４５０℃）のバリウムを、低温の排気ガスの通過が多く、ＮＯｘ浄化処理中に全体としての平均温度が低い外周部１１に設けているので、異なった触媒成分でより効率よくＮＯｘ吸蔵性能を発揮することができるようになる。
次に、上記の構成の排気ガス浄化システム１における排気ガス浄化方法について説明する。通常の運転状態では、第１バルブ１６と第２バルブ１８の両方を開いて、排気ガスＧを外周部１１と中央筒部１２の両方に流して、排気ガスＧ中の有害成分を触媒作用により浄化する。また、暖機運転や低負荷運転等の排気ガスＧが低温であり、触媒を迅速に活性化させる必要がある場合と、触媒を硫黄被毒から回復させる脱硫処理で、触媒を高温にする必要がある場合は、第１バルブ１６と第２バルブ１８はそれぞれの場合に応じて次のように制御される。
最初に、暖機運転や低負荷運転の場合について、図５の制御フローを参照しながら説明する。エンジンが始動されて、図５の制御フローが上級の制御フローから呼ばれてスタートすると、ステップＳ１１で、排気ガスＧの温度（第１指標温度）Ｔｇと予め設定した第１判定温度Ｔ１が入力される。ステップＳ１２で、排気ガスＧの温度Ｔｇが第１判定温度Ｔ１以下であるか否かが判定される。この図５の制御フローでは、中央筒部１１の触媒の温度を指標する第１指標温度として、中央筒部１１に流入する排気ガスＧの温度Ｔｇを用いている。なお、熱電対１９で計測される温度Ｔｃ１を用いることもできる。
このステップＳ１２の判定で、排気ガスＧの温度Ｔｇが第１判定温度Ｔ１以下であれば（ＹＥＳ）、ステップＳ１３に行き、第１バルブ１６を閉じて第２バルブ１８を開く。これにより排気ガスＧを中央筒部１２のみに流す。この制御をした後、予め設定した時間（排気ガスの温度Ｔｇのチェックのインターバルブ関係する時間）を経過した後に、ステップＳ１１に戻る。
ステップＳ１２の判定で、排気ガスＧの温度Ｔｇが第１判定温度Ｔ１を超えたときには（ＮＯ、ステップＳ１４に行き、第１バルブ１６を開いて第２バルブ１８を開く、即ち、第２バルブ１８を開いたまま、第１バルブ１６を開く。これにより、排気ガスＧを中央筒部１２と外周部１１の両方に流す。この制御をした後、予め設定した時間（排気ガスの温度Ｔｇのチェックのインターバルブ関係する時間）を経過した後に、ステップＳ１１に戻る。
このステップＳ１１〜ステップＳ１３又はステップＳ１１〜ステップＳ１４を繰り返し実行し、エンジンが停止された場合には、割り込みが発生し、ステップＳ１５の終了処理を行って、上級の制御フローに戻り、上級の制御フローの終了と共に、図５の制御フローも終了する。
この構成によれば、エンジン始動直後の暖機運転や低負荷運転のときには、排気ガスＧの温度Ｔｇが低く、排気ガスＧの容積流量も小さいので保温性が良い中央筒部１２に排気ガスＧを流して、中央筒部１２の触媒を迅速に昇温することができる。また、排気ガスＧの温度Ｔｇが高く排気ガスＧの容積流量が大きいときには、中央筒部１２と外周部１１の両方に排気ガスＧを流して、排気ガスＧが通過する部分の容積を増やして、排気ガスＧに対する空間速度を下げて、排気ガスＧが触媒に接触する時間を長くして触媒反応を促進することができる。
この第１判定温度Ｔ１は触媒の活性化温度以上の温度であり、例えば、ＮＯｘ浄化率が８０％以上という温度である。この第１判定温度Ｔ１は触媒の種類にもよるが、２００℃〜３００℃の範囲内の温度であり、例えば２５０℃に設定される。
なお、エンジンの始動時や低負荷運転の場合には、この図５の制御フローが有効になるが、低負荷運転から高負荷運転に移って排気ガスの温度Ｔｇが上昇したときは、ステップＳ１４の第１バルブ１６と第２バルブ１８を共に開いた状態になるので、必ずしも、図５の制御フローを停止する必要はない。
次に、触媒の温度を高い温度にする必要がある脱硫処理の場合について、図６及び図７の制御フローを参照しながら説明する。図６の制御フローと図７の制御フローとは、図６の下端のＡと図７の上端のＡとにより接続している一つの制御フローである。
この排気ガス浄化システム１において、脱硫処理を行う場合には、上級の制御フローによって、図５の制御フローから、図６及び図７の制御フローに切替られる。ここでは、第１指標温度として、熱電対１９の計測温度Ｔｃ１を用い、第２指標温度として熱電対２０の計測温度Ｔｃ２を用いているが、第１指標温度かつ第２指標温度として熱排気ガスＧの温度Ｔｇを用いるようにしてもよい。
図６及び図７の制御フローは、脱硫処理を行う場合の制御であり、スタートすると、図６のステップＳ２１で、中央筒部１２の触媒の温度を指標する第１指標温度Ｔｃ１と予め設定した第２判定温度Ｔ２と予め設定された第１判定時間ｔ１を入力する。次にステップＳ２２で、第１指標温度Ｔｃ１が第２判定温度Ｔ２以下であるか否かを判定する。
ステップＳ２２の判定で、第１指標温度Ｔｃ１が第２判定温度Ｔ２以下である場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ２３に行き、第１バルブ１６を閉じると共に第２バルブ１８を開く。これにより、排気ガスＧを中央筒部１２のみに流す。この制御をした後、予め設定した時間（第１指標温度Ｔｃ１のチェックのインターバルブ関係する時間）の間経過した後に、ステップＳ２１に戻る。
ステップＳ２２の判定で、第１指標温度Ｔｃ１が第２判定温度Ｔ２を超えた場合には（ＮＯ）、ステップＳ２４で、第１指標温度Ｔｃ１が第２判定温度Ｔ２を超えた時間の総和である第１脱硫処理時間ｔｄ１をカウントする。次のステップＳ２５で、この第１脱硫処理時間ｔｄ１が予め設定された第１判定時間ｔ１を経過したか否かを判定する。このステップＳ２５の判定で、この第１脱硫処理時間ｔｄ１が第１判定時間ｔ１を経過していない場合には（ＮＯ）、そのままの状態で、予め設定した時間（第１脱硫処理時間ｔｄ１のチェックのインターバルブ関係する時間）を経過した後に、ステップＳ２１に戻る。
ステップＳ２５の判定で、第１脱硫処理時間ｔｄ１が第１判定時間ｔ１を経過した場合には（ＹＥＳ）、Ａ経由で、図７のステップＳ２６に行き、第１バルブ１６を開いて第２バルブ１８を閉じて排気ガスＧを外周部１１のみに流す。
次のステップＳ２７で、外周部１１の触媒の温度を指標する第２指標温度Ｔｃ２と予め設定した第３判定温度Ｔ３と予め設定した第２判定時間ｔ２を入力する。次のステップＳ２８で、第２指標温度Ｔｃ２が第３判定温度Ｔ３以下か否かを判定する。ステップＳ２８の判定で、第２指標温度Ｔｃ２が第３判定温度Ｔ３以下で、第３判定温度Ｔ３を超えていない場合には（ＹＥＳ）、予め設定した時間（第２指標温度Ｔｃ２のチェックのインターバルブ関係する時間）を経過した後に、ステップＳ２７に戻る。
ステップＳ２８の判定で、第２指標温度Ｔｃ２が第３判定温度Ｔ３を超えた場合には（ＮＯ）、次のステップＳ２９で、第２指標温度Ｔｃ２が第３判定温度Ｔ３を超えた時間の総和である第２脱硫処理時間ｔｄ２をカウントする。次のステップＳ３０で、この第２脱硫処理時間ｔｄ２が予め設定された第２判定時間ｔ２を経過したか否かを判定する。このステップＳ３０の判定で、この第２脱硫処理時間ｔｄ２が第２判定時間ｔ２を経過していない場合には（ＮＯ）、そのままの状態で、予め設定した時間（第２脱硫処理時間ｔｄ２のチェックのインターバルブ関係する時間）を経過した後に、ステップＳ２７に戻る。
ステップＳ３０の判定で、この第２脱硫処理時間ｔｄ２が第２判定時間ｔ２を経過した場合には（ＹＥＳ）、ステップＳ３１に行き、第１脱硫処理時間ｔｄ１と第２脱硫処理時間ｔｄ２のリセット等の脱硫処理の終了の処理を行ってから、上級の制御スローにリターンする。
なお、通常は、第３判定温度は第２判定温度よりも低く、第２判定時間は第１判定時間よりも短く設定される。これは、低温用のＮＯｘ吸蔵還元型触媒で使用するバリウムの方が高温用のＮＯｘ吸蔵還元型触媒で使用するカリウムよりも脱離し易いからである。そして、触媒の種類や排気ガス浄化装置１０にもよるが、例えば、第２判定温度Ｔ２は７００℃〜７５０℃程度に、第３判定温度Ｔ３は６５０℃〜７００℃程度に設定され、第１判定時間ｔ１は４８０ｓ〜６００ｓ程度に、第２判定時間ｔ２は１８０ｓ〜３００ｓ程度に設定される。
この脱硫処理の場合の排気ガス浄化方法によれば、触媒を高温にする必要がある脱硫処理において、第１指標温度Ｔｃ１が第２判定温度Ｔ２を超えてから第１判定時間ｔ２を超えるまでは、筒状の仕切り壁１３の遮熱構造により保温性がよく昇温が早い中央筒部１２に排気ガスＧを全量流して、この中央筒部１１の脱硫処理を完了するまで行い、その後、保温構造により保温性がよいが中央筒部１２に比べて触媒の昇温が遅れ易い外周部１１に排気ガスＧを全量流して外周部１１の脱硫処理を集中的に行うことができる。
そのため、中央筒部１２の脱硫処理に際しては、中央筒部１２からの熱移動を仕切り壁１３で抑制しているので、中央筒部１２の加熱処理時間を減らすことができ、また、外周部１１の脱硫処理に際しては、仕切り壁１３と保温構造１４とで外周部１１からの熱移動を抑制しているので、外周部１１の加熱処理時間も減らすことができる。そのため、各部分の昇温を迅速に行うことができ、触媒全体の脱硫処理を効率よく行うことができ、脱硫処理のために必要となる時間と燃料消費量を減少できる。
その上、脱硫処理の前半で、中央筒部１２だけを脱硫処理し、脱硫処理の後半で外周部１１だけを脱硫処理して、排気ガスが通過し難く温度も上がり難い触媒の外周部を、執拗に脱硫処理することで、触媒の全体に亘って十分な脱硫を行うことができる。そのため、浄化能力を良好な状態に維持できる。
その結果、触媒の浄化性能の維持に必要な還元処理、言い換えれば、触媒の浄化能力を回復する再生処理のための時間や回数を減少できるので、この再生処理で必要な燃料消費量を低減できる。従って、車両に搭載する触媒の容量を減少して、搭載性を確保すると共にコストを低減することができる。また、脱硫処理において、冷え易い触媒の外周部のみを高温に加熱することで中央筒部が過剰な高温に晒されて触媒が劣化することを抑制することができる。
なお、上記の図６及び図７の制御フローでは、脱硫処理の回数は、中央筒部１２と外周部１１とで同じ回数となるが、更に、硫黄処理を外周部１１と中央筒部１２とに分けて行うように構成すれば、比較的硫黄の吸着し難い外周部１１の処理回数を減らすことができるので、より燃料消費量を低減することができるようになる。
１ 排気ガス浄化システム
２ エンジンの排気通路
３ エンジン制御装置（ＥＣＵ）
１０ 排気ガス浄化装置
１１ 外周部
１２ 中央筒部
１３ 仕切り壁
１３ａ 波板
１３ｂ、１３ｃ 板（二重壁）
１３ｄ 空間部
１４ 保温構造
１５ 第１通路
１６ 第１バルブ
１７ 第２通路
１８ 第２バルブ
１９、２０、２１ 熱電対
Ｇ 排気ガス
Ｔ１ 第１判定温度
Ｔ２ 第２判定温度
Ｔ３ 第３判定温度
Ｔｃ１ 第１指標温度
Ｔｃ２ 第２指標温度
Ｔｇ 排気ガスの温度
ｔ１ 第１判定時間
ｔ２ 第２判定時間
ｔｄ１ 第１脱硫処理時間
ｔｄ２ 第２脱硫処理時間
２ エンジンの排気通路
３ エンジン制御装置（ＥＣＵ）
１０ 排気ガス浄化装置
１１ 外周部
１２ 中央筒部
１３ 仕切り壁
１３ａ 波板
１３ｂ、１３ｃ 板（二重壁）
１３ｄ 空間部
１４ 保温構造
１５ 第１通路
１６ 第１バルブ
１７ 第２通路
１８ 第２バルブ
１９、２０、２１ 熱電対
Ｇ 排気ガス
Ｔ１ 第１判定温度
Ｔ２ 第２判定温度
Ｔ３ 第３判定温度
Ｔｃ１ 第１指標温度
Ｔｃ２ 第２指標温度
Ｔｇ 排気ガスの温度
ｔ１ 第１判定時間
ｔ２ 第２判定時間
ｔｄ１ 第１脱硫処理時間
ｔｄ２ 第２脱硫処理時間
Claims (6)
- 排気ガス中の有害成分を浄化する触媒を担持した排気ガス浄化装置を備えた排気ガス浄化システムにおいて、
前記排気ガス浄化装置の触媒を担持した部分を筒状の仕切り壁により外周部と中央筒部の二つに分けて、内燃機関の排気通路と前記外周部との間に第１バルブを、前記排気通路と前記中央筒部との間に第２バルブを設け、前記第１バルブを開くことにより排気ガスを前記外周部に流し、前記第２バルブを開くことにより排気ガスを前記中央筒部に流すように構成すると共に、
前記筒状の仕切り壁を遮熱構造に形成したことを特徴とする排気ガス浄化システム。 - 前記中央筒部の触媒の温度を指標する第１指標温度が予め設定した第１判定温度以下では、前記第１バルブを閉じると共に前記第２バルブを開いて排気ガスを前記中央筒部のみに流し、前記第１指標温度が前記第１判定温度を越えたときには、前記第２バルブを開いたまま前記第１バルブを開いて排気ガスを前記中央筒部と前記外周部の両方に流すことを特徴とする請求項１記載の排気ガス浄化システム。
- 前記触媒としてＮＯｘ吸蔵還元型触媒を用いると共に、前記中央筒部には、ＮＯｘ吸蔵材としてカリウムを担持させ、前記外周部には、ＮＯｘ吸蔵材としてバリウムを担持させたことを特徴とする請求項１又は２記載の排気ガス浄化システム。
- 脱硫処理を行っている場合に、前記中央筒部の触媒の温度を指標する第１指標温度が予め設定した第２判定温度以下では、前記第１バルブを閉じると共に前記第２バルブを開いて排気ガスを前記中央筒部のみに流し、前記第１指標温度が前記第２判定温度を超えてから、前記第１指標温度が前記第２判定温度を超えた時間の総和である第１脱硫処理時間が予め設定された第１判定時間を経過するまでは、前記第１バルブと前記第２バルブの開閉状態をそのまま継続し、前記第１脱硫処理時間が前記第１判定時間を経過したときに、前記第１バルブを開いて前記第２バルブを閉じて排気ガスを前記外周部のみに流し、更に、前記外周部の触媒の温度を指標する第２指標温度が予め設定した第３判定温度を超えると、前記第２指標温度が前記第３判定温度を超えた時間の総和である第２脱硫処理時間が予め設定した第２判定時間を経過するまでは、前記第１バルブと前記第２バルブの開閉状態をそのまま継続し、前記第２脱硫処理時間が前記第２判定時間を経過すると、脱硫処理を終了することを特徴とする請求項１、２又は３記載の排気ガス浄化システム。
- 排気ガス中の有害成分を浄化する触媒を担持した排気ガス浄化装置を備えた排気ガス浄化システムの排気ガス浄化方法において、
前記排気ガス浄化装置の触媒を担持した部分を筒状の仕切り壁により外周部と中央筒部の二つに分けて前記筒状の仕切り壁を遮熱構造に形成して前記外周部と前記中央筒部との間を遮熱し、
前記中央筒部の触媒の温度を指標する第１指標温度が予め設定した第１判定温度以下では、内燃機関の排気通路と前記外周部との間に設けた第１バルブを閉じると共に、前記排気通路と前記中央筒部との間に設けた第２バルブを開いて排気ガスを前記中央筒部のみに流し、前記第１指標温度が前記第１判定温度を越えたときには、前記第２バルブを開いたまま前記第１バルブを開いて排気ガスを前記中央筒部と前記外周部の両方に流すことを特徴とする排気ガス浄化方法。 - 脱硫処理を行っている場合に、前記中央筒部の触媒の温度を指標する第１指標温度が予め設定した第２判定温度以下では、前記第１バルブを閉じると共に前記第２バルブを開いて排気ガスを前記中央筒部のみに流し、前記第１指標温度が前記第２判定温度を超えてから、前記第１指標温度が前記第２判定温度を超えた時間の総和である第１脱硫処理時間が予め設定された第１判定時間を経過するまでは、前記第１バルブと前記第２バルブの開閉状態をそのまま継続し、前記第１脱硫処理時間が前記第１判定時間を経過したときに、前記第１バルブを開いて前記第２バルブを閉じて排気ガスを前記外周部のみに流し、更に、前記外周部の触媒の温度を指標する第２指標温度が予め設定した第３判定温度を超えると、前記第２指標温度が前記第３判定温度を超えた時間の総和である第２脱硫処理時間が予め設定した第２判定時間を経過するまでは、前記第１バルブと前記第２バルブの開閉状態をそのまま継続し、前記第２脱硫処理時間が前記第２判定時間を経過すると、脱硫処理を終了することを特徴とする請求項５記載の排気ガス浄化方法。
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