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JP5555996B2 - 排気ガス浄化装置及び排気ガス浄化方法 - Google Patents

排気ガス浄化装置及び排気ガス浄化方法 Download PDF

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Description

本発明は、排気ガス中のＰＭを排気ガスの旋回流による遠心力を利用して、質量の大きい粒子と質量の小さい粒子に分離し、それぞれに適したフィルタで効率よく捕集する排気ガス浄化装置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ＰＭ（微粒子状物質）を捕集するフィルタを備えた排気ガス浄化装置がある。このフィルタはディーゼルエンジンからの排気ガス中のＰＭの除去に使用されることから、ＤＰＦ（ディーゼル・パティキュレート・フィルタ）と呼ばれている。また、フィルタに捕集したＰＭを、触媒作用を利用してより低温で燃焼して除去するために、酸化触媒やＰＭ酸化触媒をフィルタに担持した触媒付きフィルタがある。
また、排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）の浄化のためには、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、排気ガス中の硫黄成分により、このＮＯｘ吸蔵還元型触媒は硫黄被毒によりＮＯｘ吸蔵能力が低下するので、触媒をリッチ空燃比雰囲気で、かつ、比較的高い温度に維持する脱硫処理を行ってＮＯｘ吸蔵能力を回復している。
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。これらの排気ガス浄化装置を使用して、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減少し、排出基準以下にまで下げている。
これらの排気ガス浄化装置を使用して排気ガスの浄化を行っているが、更に、ＰＭの粒子数規制が導入され排気ガス規制が強化されると、より微小な粒子径のＰＭを捕集する必要が生じるため、高気孔率のＤＰＦを、ＮＯｘ浄化触媒装置の下流側（後段）に装着する必要が生じるものと考えられる。
この高気孔率のＤＰＦの場合では、気孔サイズが従来のＤＰＦよりも小さくなるので、粒子径が相当小さい粒子を捕集できる反面、粒子径の大きい粒子が、このＤＰＦの排気ガスの導入部付近に堆積し易くなる。この結果、ＤＰＦの導入部ＤＰＦで目詰まりが生じ、このＤＰＦの前後の差圧が短い時間で上昇して、微小粒子に対する捕集性能を十分に発揮できないという問題が生じ、また、ＤＰＦのＰＭ強制再生の時間間隔が短くなるという問題も生じる。
一方、石炭ガス化炉などの生成ガス処理に関係して、気体に含有される微粒子から粗粒子までの粒子分布を有する粒子群から、粗粒子を効率よく回収するために、大径側の粗粒子と中間径の中間粒子とを旋回流を利用して選択的に分離回収する旋回型サイクロンが提案されている (例えば、特許文献１参照）。
また、ディーゼルエンジンの排気ガス浄化に関係して、筒状のフィルタの内面に案内羽根を設けて、フィルタの内面に排気ガスの旋回流を発生させて、遠心力により大径ＰＭの濃度が高い排気ガスをフィルタの内部から筒状の外周部に設けたフィルタを通過させて、排気ガス中のＰＭを除去させた後に、大径ＰＭの濃度の低い中心側のガスと合流させるディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
上記のように、排気ガス中のＰＭにおいても、粒子径の大きい粒子と粒子径の小さい粒子との分離に際して、旋回流によって分離することが有効であると考えられる。
特開２００６−１１６４７１号公報 特開２００５−６１２３５号公報（段落〔００２６〕、〔００２７〕、図１）
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、排気ガス中のＰＭを浄化するフィルタを備えた排気ガス浄化装置において、排気ガスの旋回流による遠心力を利用して、排気ガス中のＰＭを質量の大きい粒子と質量の小さい粒子に分離し、それぞれのＰＭの粒子径に合ったフィルタで、効率よく捕集する排気ガス浄化装置及び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装置は、排気ガス中のＰＭを浄化する第１のフィルタユニットと第２のフィルタユニットと、これらのユニットの浄化能力を回復する制御を行う排気ガス浄化制御装置とを備えた排気ガス浄化装置において、該排気ガス浄化装置を二重筒状に形成した二重筒状部の内周壁の外周部に前記第１のフィルタユニットを配設し、前記二重筒状部よりも下流側に前記第２のフィルタユニットを配設し、前記二重筒状部の内周壁の内周部の出口に、排気ガスに旋回流を発生する旋回流発生手段を設け、該旋回流発生手段に前記内周部を通った排気ガスが供給されるように構成し、前記旋回流発生手段により旋回流を付与された排気ガスの流れの外周側の流れを粗い粒子捕集用の前記第１のフィルタユニットに導くと共に、前記旋回流を付与された排気ガスの流れの内周側の流れを細かい粒子捕集用の前記第２のフィルタユニットに導くように構成する。
この旋回流発生手段は、例えば、高圧のガス（空気や排気ガス）を排気ガスの流れに噴射する単数又は複数のガス噴射ノズルで形成することができる。このガス噴射ノズルからガスを排気ガスの主流に対して垂直断面内で旋回方向成分を持つように噴射して、排気ガスの流れに旋回流を発生させる。
この構成によれば、排気ガスの流れに付与された旋回流により遠心力を利用してＰＭを質量別に分離して、言い換えれば、質量の大小に粒子径の大小が対応するので、ＰＭを粒子径別に分離して、粒子径及び質量の大きい粒子を、粗い粒子捕集用の第１のフィルタユニットで捕集する。この粗い粒子捕集用のフィルタは、低気孔率でセル数の少ないＤＰＦ等で形成できる。また、粒子径及び質量の小さい粒子を、細かい粒子捕集用の第２のフィルタユニットで捕集する。この細かい粒子捕集用のフィルタは、高気孔率でセル数の多いＤＰＦ等で形成できる。
従って、細かい粒子捕集用の第２のフィルタユニットでは、粒子径の小さな粒子を多数捕集するので、粒子径の大きな粒子が堆積してセル又は気孔が閉塞されることが抑制され、微小粒子に対する捕集性能を十分に発揮できると共に、粒子径の大きな粒子に起因する、フィルタ導入部の目詰まり、フィルタの前後の差圧の短い時間での上昇、フィルタのＰＭ強制再生の時間間隔の短縮化、過度に頻繁なＰＭ燃焼再生処理、及び、燃費の極端な悪化等を回避できる。
あるいは、上記の目的を達成するための本発明の排気ガス浄化装置は、排気ガス中のＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化触媒ユニットと、排気ガス中のＰＭを浄化する第１のフィルタユニットと第２のフィルタユニットと、これらのユニットの浄化能力を回復する制御を行う排気ガス浄化制御装置とを備えた排気ガス浄化装置において、該排気ガス浄化装置を二重筒状に形成して、内周部に前記ＮＯｘ浄化触媒ユニットを配置し、外周部に粗い粒子捕集用の前記第１のフィルタユニットを配置すると共に、前記ＮＯｘ浄化触媒ユニットの下流側に、細かい粒子捕集用の前記第２のフィルタユニットを配置し、更に、前記ＮＯｘ浄化触媒ユニットと前記第２のフィルタユニットとの間に、排気ガスに旋回流を発生する旋回流発生手段を設け、該旋回流発生手段により旋回流を付与された排気ガスの流れの外周側の流れを前記第１のフィルタユニットに導くと共に、前記旋回流を付与された内周側の流れを前記第２のフィルタユニットに導くように構成する。
この構成によれば、旋回流を付与された排気ガスの流れの外周側の流れを、ＮＯｘ浄化触媒ユニットの外周側に設けた、粗い粒子捕集用の第１のフィルタユニットに導くと共に、旋回流を付与された排気ガスの流れの内周側の流れを、ＮＯｘ浄化触媒ユニットの下流側（後段）に設けた、細かい粒子捕集用の第２のフィルタユニットに導くので、上記と同様な作用効果を奏することができる。
また、外周側の第１のフィルタユニットで内周側のＮＯｘ浄化触媒ユニットを保温できるので、ＮＯｘの浄化性能を高い状態で維持できる。そのため、このＮＯｘ浄化触媒ユニットの温度分布を均一化し易くなる。その結果、ＮＯｘ浄化触媒ユニットの容量を小さくできる。
しかも、第１のフィルタユニットに捕集されたＰＭを燃焼除去するためのＰＭ強制再生時の発熱を、ＮＯｘ浄化触媒ユニットに伝えて利用することができるようになるので、ＮＯｘ浄化触媒ユニットのＮＯｘ浄化能力の回復のための再生制御や硫黄被毒からの回復のための脱硫制御などで、この熱を利用できるようになる。
また、第１及び第２のフィルタユニットを触媒付きフィルタで形成した場合には、エンジン始動直後、排気ガス浄化装置内のＮＯｘ浄化触媒ユニットの触媒の活性が不十分な低温度域では、この触媒付フィルタにおけるＨＣ吸着機能を利用し、このＨＣの排出を抑制することができる。
上記の排気ガス浄化装置において、前記排気ガス浄化制御装置が、前記第１のフィルタユニットのＰＭ強制再生制御の後に、前記ＮＯｘ浄化触媒ユニットの脱硫制御を行うように構成する。この構成によれば、第１のフィルタユニットに捕集されたＰＭを燃焼除去するためのＰＭ強制再生時の発熱量を回収して、高温にする必要があるＮＯｘ浄化触媒ユニットの脱硫制御に利用することができる。その結果、ＮＯｘ浄化触媒ユニットの脱硫処理可能な温度までの昇温に必要な加熱時間を短くして、この加熱に必要な燃焼消費量を減少できる。
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ＰＭを浄化する第１のフィルタユニットと第２のフィルタユニットとを備えた排気ガス浄化装置の排気ガス浄化方法において、該排気ガス浄化装置を二重筒状に形成した二重筒状部の内周壁の外周部に前記第１のフィルタユニットを配設し、前記二重筒状部の内周壁の内周部の出口に、排気ガスに旋回流を発生する旋回流発生手段を設け、該旋回流発生手段に前記内周部を通った排気ガスが供給されるように構成し、旋回流を付与された排気ガスの流れの外周側の流れを粗い粒子捕集用の前記第１のフィルタユニットに導くと共に、前記旋回流を付与された排気ガスの流れの内周側の流れを前記二重筒状部の下流に配設した細かい粒子捕集用の前記第２のフィルタユニットに導くことを特徴とする方法である。
この方法によれば、排気ガスの流れに付与された旋回流により遠心力を利用してＰＭを粒子径別に分離して、粒子径及び質量の大きい粒子を、粗い粒子捕集用の第１のフィルタユニットで捕集し、粒子径及び質量の小さい粒子を、細かい粒子捕集用の第２のフィルタユニットで捕集する。
従って、細かい粒子捕集用の第２のフィルタユニットでは、粒子径の小さな粒子を多数捕集するので、粒子径の大きな粒子でセル又は気孔が閉塞されることが抑制され、微小粒子に対する捕集性能を十分に発揮できる。そのため、粒子径の大きな粒子に起因する、フィルタ導入部の目詰まり、フィルタの前後の差圧の短い時間での上昇、フィルタのＰＭ強制再生の時間間隔の短縮化、過度に頻繁なＰＭ燃焼再生処理、及び、燃費の極端な悪化等を回避できる。
あるいは、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ＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化触媒ユニットと、排気ガス中のＰＭを浄化する第１のフィルタユニットと第２のフィルタユニットを備えた排気ガス浄化装置の排気ガス浄化方法において、二重筒状に形成された前記排気ガス浄化装置の内周部に配置された前記ＮＯｘ浄化触媒ユニットから流出する排気ガスに旋回流を付与して、この旋回流を付与された排気ガスの流れの外周側の流れを、前記ＮＯｘ浄化触媒ユニットの外周部に配置した粗い粒子捕集用の前記第１のフィルタユニットに導くと共に、前記旋回流を付与された排気ガスの流れの内周側の流れを、前記ＮＯｘ浄化触媒ユニットの下流側に配置した細かい粒子捕集用の前記第２のフィルタユニットに導くことを特徴とする方法である。
この方法によれば、上記と同様な作用効果を奏することができ、更に、排気ガス浄化装置を二重筒状に構成したので、外周部の第１のフィルタユニットで内周部のＮＯｘ浄化触媒ユニットを保温でき、また、第１のフィルタユニットに捕集されたＰＭを燃焼除去するためのＰＭ強制再生時の発熱をＮＯｘ浄化触媒ユニットに利用することができるようになる。
また、上記の排気ガス浄化方法において、前記第１のフィルタユニットのＰＭ強制再生制御の後に、前記ＮＯｘ浄化触媒ユニットの脱硫制御を行うようにする。この方法によれば、第１のフィルタユニットに捕集されたＰＭを燃焼除去するためのＰＭ強制再生時の発熱量を回収して、高温にする必要があるＮＯｘ浄化触媒ユニットの脱硫制御に利用することができる。その結果、ＮＯｘ浄化触媒ユニットの脱硫処理可能な温度までの昇温に必要な加熱時間を短くして、この加熱に必要な燃焼消費量を減少できる。
本発明に係る排気ガス浄化装置及び排気ガス浄化方法によれば、排気ガス中のＰＭを浄化するフィルタを備えた排気ガス浄化装置において、排気ガスの旋回流による遠心力を利用して、排気ガス中のＰＭを質量の大きい粒子と質量の小さい粒子に分離し、それぞれのＰＭの粒子径に合ったフィルタで、効率よく捕集することができる。
従って、細かい粒子捕集用の第２のフィルタユニットでは、粒子径の小さな粒子を数多く捕集するので、粒子径の大きな粒子が堆積してセル又は気孔が閉塞されることが無くなり、微小粒子に対する捕集性能を十分に発揮できる。また、粒子径の大きな粒子に起因する、フィルタ導入部の目詰まり、フィルタの前後の差圧の短い時間での上昇、フィルタのＰＭ強制再生の時間間隔の短縮化、過度に頻繁なＰＭ燃焼再生処理、及び、燃費の極端な悪化等を回避できる。
以下、本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化装置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〜図５に、本発明の実施の形態の排気ガス浄化装置１０の構成を示す。この排気ガス浄化装置１０は、エンジン（内燃機関）の排気通路２に設けられる。
この排気ガス浄化装置１０は、図１〜図５に示すように、二重筒状に形成され、排気ガスの流れに関して、上流側から順に第１の酸化触媒ユニット１１、第１のＮＯｘ浄化触媒ユニット１２Ａ、第２のＮＯｘ浄化触媒ユニット１２Ｂを内周壁１３の内周部に配置する。この内周壁１３の外周部に、第１のフィルタユニット１４と第２の酸化触媒ユニット１５とを配置し、外周壁１６で包みこむ。また、第２の酸化触媒ユニット１５を、第１の酸化触媒ユニット１１の外周部に配置し、第１のフィルタユニット１４を、第１及び第２のＮＯｘ浄化触媒ユニット１２Ａ、１２Ｂの外周部に配置する。更に、第２のＮＯｘ浄化触媒ユニット１２Ｂの下流側に、第２のフィルタユニット１７を配置する。
つまり、第１のフィルタユニット１４を中空筒形状で形成し、この中空部内に第１及び第２のＮＯｘ浄化触媒ユニット１２Ａ、１２Ｂを配置する。また、第２の酸化触媒ユニット１５も中空筒形状で形成し、この中空部内に第１の酸化触媒ユニット１１を配置する。これらの排気ガス浄化ユニット１１、１２Ａ、１２Ｂ、１４、１５、１７は、それぞれの筒形状の中心軸を一致させた配置とする。
この排気ガス浄化装置１０を二重筒状に構成し、酸化触媒ユニット１１、１５と、ＮＯｘ浄化触媒ユニット１２Ａ，１２Ｂと、フィルタユニット１４、１７の配置を上記の配置にしたので、排気ガス浄化装置１０をコンパクトにすることができる。
内周壁１３は、内周側の排気ガス浄化ユニット１１、１２Ａ、１２Ｂと外周側の排気ガス浄化ユニット１４、１５とを分離して、排気ガスのこの部分での流通が無いようにする筒状体であり、熱伝導率の高い銅、アルミニウム、アルミニウム合金等の材料で形成する。一方、外周壁１６は、排気ガスユニットを包み込むと共に、外部との間の放熱を減少して、排気ガスユニットを保温する役割も持つものであり、比較的熱伝導率の少ない金属やセラミックスや合成樹脂等で形成する。
この二重筒状の構成によれば、第１の酸化触媒ユニット１１、第１及び第２のＮＯｘ浄化触媒ユニット１２Ａ、１２Ｂの内周部に配置した触媒に対して、外周部の第１のフィルタユニット１４と第２の酸化触媒ユニット１５による保温が可能となり、内周部の触媒の温度分布を均一化し易くできるので、第１の酸化触媒ユニット１１、第１及び第２のＮＯｘ浄化触媒ユニット１２Ａ、１２Ｂの容量を小さくできる。
第１及び第２の酸化触媒ユニット１１、１５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のものであり、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する。
第１及び第２のＮＯｘ浄化触媒ユニット１２Ａ、１２Ｂは、排気ガス中のＮＯｘを浄化するためのものであり、モノリス触媒で形成する。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、担持させて構成する。
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吸蔵能力を回復する。また、排気ガス中の硫黄成分により、ＮＯｘ吸蔵材が硫酸塩に変化してＮＯｘの吸蔵を妨げる、所謂硫黄被毒してＮＯｘ吸蔵能力が低下するので、この硫黄被毒から回復させるために、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒をリッチ空燃比雰囲気で、かつ、高温にして硫黄をＮＯｘ吸蔵材から脱離する脱硫制御を行う。
また、第１及び第２のフィルタユニット１４、１７は、排気ガス中のＰＭ（微粒子状物質）を浄化するためのものであり、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を担持する。排気ガス中のＰＭは、この触媒付きフィルタ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とした場合には、エンジン始動直後、排気ガス浄化装置１０内の第１の酸化触媒ユニット１１、第１及び第２のＮＯｘ浄化触媒ユニット１２Ａ、１２Ｂの活性が不十分な低温度域では、第１のフィルタユニット１４と第２のフィルタユニット１７によるＨＣ吸着機能を利用し、その排出を抑制することができる。
そして、本発明においては、更に、第１のフィルタユニット１４を、粗い粒子捕集用の低気孔率でセル数の少ないフィルタで形成する。また、第２のフィルタユニット１７を、細かい粒子捕集用の高気孔率でセル数の多いフィルタで形成する。
この第１及び第２のフィルタユニット１４、１７には、それぞれの前後差圧ΔＰ１、ΔＰ２を検出するための第１差圧センサ１８と第２の差圧センサ１９を設けて、これらの検出値ΔＰ１、ΔＰ２を排気ガス浄化制御装置（図示しない）に入力する。この排気ガス浄化制御装置は、エンジンの全般的な制御を行うＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）と呼ばれる制御装置に組み込んで設ける。この排気ガス浄化制御装置は、排気ガス浄化装置１０の各排気ガス浄化ユニット１１、１２Ａ、１２Ｂ、１４、１５、１７の状態を監視して、必要に応じて、再生制御や脱硫制御を行う。
第１及び第２のフィルタユニット１４、１７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、第１及び第２の差圧センサ１８、１９で検出された前後差圧ΔＰ１、ΔＰ２が所定の第１差圧閾値を超えた場合に、排気ガス温度を上昇して、第１及び第２のフィルタユニット１４、１７をＰＭの燃料温度以上に昇温して、捕集されたＰＭを燃焼除去するＰＭ強制再生制御を行う。
また、排気ガスＧ１の流れに関して、排気ガス浄化装置１０の入口側では、エンジンの排気通路２を円錐台形状の前側内周壁１３ａに接続し、排気ガスＧ１を第１の酸化触媒ユニット１１、第１のＮＯｘ浄化触媒ユニット１２Ａ、第２のＮＯｘ浄化触媒ユニット１２Ｂを通過させるように構成する。
そして、本発明においては、この第２のＮＯｘ浄化触媒ユニット１２Ｂの出口近傍の下流側において、第２のＮＯｘ浄化触媒ユニット１２Ｂより後方に円錐台形状で延設された後側内周壁１３ｂに、旋回流発生手段２０を配置する。
この旋回流発生手段２０は、空気Ａや排気ガスの一部などのガスをガス圧縮タンク（図示しない）に接続するガス配管２１と、このガス配管２１に接続した分配用配管２２と、この分配用配管２２から分岐した複数本の分岐配管２３と、この分岐配管２３の先に設けられたガス噴射制御弁２４とその先のガス噴射ノズル２５等から構成する。
図５に示すように、分配用配管２２を、第２のフィルタユニット１７の外にリング状に配置し、ガス噴射ノズル２５を、排気ガス浄化装置１０の長手方向に関しては単列又は複数列（図１の構成では前段と後段の２列）に配置する。また、排気ガス浄化装置１０の周方向に関しては、単数又は複数（図５の場合は等間隔で４個）のガス噴射ノズル２５を、後側内周壁１３ｂに配置する。このガス噴射ノズル２５では、通常は継続してガスＡを噴射して、排気ガスＧ１の流れに対して旋回流を付与する。
なお、ガス噴射制御弁２４を断続的に噴射すると共に、短時間の噴射の順番を周方向に一周するように、即ち、高圧のガス噴射が周方向に回転して排気ガスの流れＧ１に旋回流が生じるように、時間的遅れを伴わせてガス噴射してもよい。この場合は、高圧ガスの噴射は同時に多段ノズルから行うのではなく、排気ガスに旋回流を生じさせ易いように、一定時間間隔で周方向にずらしながら噴射する。この噴射時間間隔についてはエンジン負荷と回転数を基に変更させる。これにより、高気孔率の第２のフィルタユニット１７に粒子径が小さく、浮遊し易いＰＭを捕集させる際に、継続して噴射される空気流が分離を抑制するのを回避する。
この旋回流発生手段２０のガス噴射ノズル２５の下流側では、排気ガスＧ１の流れの外周側の流れの排気ガスＧ２は、延設された後側内周壁１３ｂの外周側に導かれて、第１のフィルタユニット１４と第２の酸化触媒ユニット１５を通過して、前側内周壁１３ａの外周側を通り第３の排気通路４に流出する。一方、延設された後側内周壁１３ｂの後部端で、排気ガスＧ１の流れの内周側の流れＧ３は、そのまま下流側の第２のフィルタユニット１７を通過して、第２の排気通路３に流出する。
上記の構成により、排気ガスＧ１に旋回流を発生する旋回流発生手段２０を設け、この旋回流発生手段２０により旋回流を付与された排気ガスＧ１の流れの外周側の流れＧ２を、粗い粒子捕集用の第１のフィルタユニット１４に導くと共に、旋回流を付与された排気ガスＧ１の流れの内周側の流れＧ３を、細かい粒子捕集用の第２のフィルタユニット１７に導く構成となる。
また、上記の構成により、排気ガス浄化装置１０を二重筒状に形成して、内周部に第１及び第２のＮＯｘ浄化触媒ユニット１２Ａ、１２Ｂを配置し、外周側に、粗い粒子捕集用の第１のフィルタユニット１４を配置すると共に、第１及び第２のＮＯｘ浄化触媒ユニット１２Ａ、１２Ｂの下流側に、細かい粒子捕集用の第２のフィルタユニット１７を配置し、更に、第２のＮＯｘ浄化触媒ユニット１２Ｂと第２のフィルタユニット１７との間に、排気ガスＧ１に旋回流を発生する旋回流発生手段２０を設け、旋回流発生手段２０により旋回流を付与された排気ガスＧ１の流れの外周側の流れＧ２を第１のフィルタユニット１４に導くと共に、旋回流を付与された排気ガスＧ１の流れの内周側の流れＧ３を第２のフィルタユニット１７に導く構成となる。
この構成の排気ガス浄化装置１０によれば、第１及び第２のＮＯｘ浄化触媒ユニット１２Ａ、１２Ｂを通過した排気ガスＧ１に対して旋回流発生手段２０によって噴射して旋回流を発生させることができる。そのため、排気ガスＧ１は旋回流を生じながら、楕円筒形状（又は円筒形状）の後側内周壁１３ｂの後端部から流出し、排気ガス浄化装置１０の長手方向の流速が低下する。この過程で粒子径が大きく重量の重い粒子は高い運動エネルギーにより外周側へ飛ばされる。
この外周側へ飛ばされた粒子はここで運動エネルギーを失って漂うが、後側内周壁１３ｂの外周側に流れて、気孔率が低くセル数も少ない第１のフィルタユニット１４に流入し、ここに捕集される。一方、粒子径が小さく重量の軽い粒子は排気ガスＧの流れの中央付近を漂いながら、後段に配置した高気孔率の第２のフィルタユニット１７に流入し、ここで捕集される。つまり、旋回流発生手段２０で付与された旋回流によるＰＭに対する遠心分離効果により、粒子径は大きいがその粒子数の少ないＰＭ粒子を、低気孔率の粗い粒子捕集用の第１のフィルタユニット１４で捕集でき、粒子径は小さいがその粒子数の多いＰＭ粒子を、高気孔率の細かい粒子捕集用の第２のフィルタユニット１７で捕集できる。
その結果、粒子径の異なるＰＭ粒子はその重量に依存して分離・捕集され、高気孔率の第２のフィルタユニット１７には粒子径の小さいものが数多く捕集されることになり、ＰＭ粒子数を低減でき、燃焼再生間隔が短くなることを防止できる。
また、高気孔率の第２のフィルタユニット１７の入口部に粒子径の大きいＰＭ粒子が堆積することを抑制して、前後差圧ΔＰ２が短時間で上昇するのを防止し、過度に頻繁なＰＭ強制再生制御を回避し、燃費の極端な悪化等を防止することができる。
次に、上記の排気ガス浄化装置１０における排気ガス浄化方法について説明する。この排気ガス浄化装置１０において、低気孔率の第１のフィルタユニット１４のＰＭ強制再生制御（ＰＭ燃焼処理制御）は、第１及び第２のＮＯｘ浄化触媒ユニット１２Ａ、１２Ｂの脱硫処理と関連付けて行い、第１の圧力センサ１８で検出された前後差圧ΔＰ１が所定の第１差圧閾値を超えた場合に、排気ガス浄化装置１０に流入する排気ガスＧ１の温度を昇温して、第１のフィルタユニット１４のＰＭ燃焼処理であるＰＭ強制再生制御を行う。
このＰＭ強制再生制御は、前後差圧ΔＰ１が所定の第２差圧閾値以下になったときに終了するが、この終了時に、第１及び第２のＮＯｘ浄化触媒ユニット１２Ａ、１２Ｂの硫黄吸着量が所定の第１硫黄吸着閾値を超えているか否かを判定し、超えている場合には、継続して排気ガスＧ１を昇温して、第１及び第２のＮＯｘ浄化触媒ユニット１２Ａ、１２Ｂの温度を脱硫可能な温度以上に昇温して脱硫処理のための脱硫制御を行う。この脱硫制御は、硫黄吸着量が所定の第２硫黄吸着閾値以下になるか、予め設定した脱硫時間を経過すると終了する。
この制御方法によれば、第１のフィルタユニット１４に捕集されたＰＭを燃焼除去するためのＰＭ強制再生時の発熱を、高温にする必要がある第１及び第２のＮＯｘ浄化触媒ユニット１２Ａ、１２Ｂの脱硫制御に利用することができる。そのため、第１のフィルタユニット１４内に堆積したＰＭの再生燃焼に伴う発熱量を回収して、第１及び第２のＮＯｘ浄化触媒ユニット１２Ａ、１２Ｂの脱硫処理可能な温度までの昇温に必要な加熱時間を短くして、この加熱に必要な燃焼消費を抑制できる。
つまり、第１のフィルタユニット１４に捕集されたＰＭ粒子を燃焼させるときに発生する燃焼熱をその内周側に配置した第１及び第２のＮＯｘ浄化触媒ユニット１２Ａ、１２Ｂに与えて、ＰＭ再生後に行う第１及び第２のＮＯｘ浄化触媒ユニット１２Ａ、１２Ｂの脱硫処理に必要な昇温・加熱用熱源として利用する。なお、この加熱補助として排気通路２内への燃料の噴射およびエンジン筒内へのポスト噴射も行う。
一方、高気孔率の第２のフィルタユニット１７のＰＭ燃焼処理は独立して行い、第２の圧力センサ１９で検出された前後差圧ΔＰ２が所定の第３差圧閾値を超えた場合に、排気ガス浄化装置１０に流入する排気ガスＧ１の温度を昇温して、第２のフィルタユニット１７のＰＭ燃焼処理であるＰＭ強制再生制御を行う。このＰＭ強制再生制御は、前後差圧ΔＰ２が所定の第４差圧閾値以下になったときに終了する。
これらのＰＭ強制再生制御により、捕集したＰＭ粒子を、各フィルタユニット１４、１７におけるＰＭの堆積量に応じた前後差圧ΔＰ１、ΔＰ２に基づいてＰＭの燃焼除去を行い、繰り返しＰＭを捕集させＰＭ浄化性能を維持させることができる。
なお、第２のフィルタユニット１７のＰＭ燃焼による熱は、第１及び第２のＮＯｘ浄化触媒ユニット１２Ａ、１２Ｂで利用できないが、ＰＭ強制再生制御では、排気ガスを高温にする必要があるので、第１のフィルタユニット１４のＰＭ強制再生制御と同時又はこれと連続するように、第２のフィルタユニット１７のＰＭ強制再生制御を行うと、この排気ガス昇温のためのエネルギーを両方のフィルタユニット１４、１７で共通に利用できるようになる。従って、第１のフィルタユニット１４のＰＭ強制再生制御と同時、又は、これと連続するように、第２のフィルタユニット１７のＰＭ強制再生制御を行うことが好ましい。
上記の排気ガス浄化装置１０及び排気ガス浄化方法によれば、排気ガスＧの旋回流による遠心力を利用して、排気ガスＧ中のＰＭを質量の大きい粒子と質量の小さい粒子に分離し、それぞれのＰＭの粒子径に合ったフィルタユニット１４、１７で、効率よく捕集することができる。
従って、細かい粒子捕集用の第２のフィルタユニット１７では、粒子径の小さな粒子を数多く捕集するので、粒子径の大きな粒子が堆積してセル又は気孔が閉塞されることが抑制され、微小粒子に対する捕集性能を十分に発揮できる。また、粒子径の大きな粒子に起因する、フィルタ導入部の目詰まり、フィルタの前後差圧ΔＰ２の短い時間での上昇、フィルタのＰＭ強制再生の時間間隔の短縮化、過度に頻繁なＰＭ燃焼再生処理、及び、燃費の極端な悪化等を回避できる。
本発明の実施の形態の排気ガス浄化装置の構成を示す図である。 排気ガス浄化装置の排気ガスの入口の構成を示す図である。 排気ガス浄化装置の横断面を示す図である。 排気ガス浄化装置の横断面の一部拡大図である。 旋回流発生手段の構成を示す、排気ガス浄化装置の後部から見た図である。
符号の説明
１ 排気ガス浄化システム
２ 排気通路
１０ 排気ガス浄化装置
１１ 第１の酸化触媒ユニット
１２Ａ 第１のＮＯｘ浄化触媒ユニット
１２Ｂ 第２のＮＯｘ浄化触媒ユニット
１３ 内周壁
１４ 第１のフィルタユニット
１５ 第２の酸化触媒ユニット
１７ 第２のフィルタユニット
２０ 旋回流発生手段
Ａ ガス（空気）
Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３ 排気ガス
ΔＰ１、ΔＰ２ 前後差圧

Claims (6)

  1. 排気ガス中のＰＭを浄化する第１のフィルタユニットと第２のフィルタユニットと、これらのユニットの浄化能力を回復する制御を行う排気ガス浄化制御装置とを備えた排気ガス浄化装置において、
    該排気ガス浄化装置を二重筒状に形成した二重筒状部の内周壁の外周部に前記第１のフィルタユニットを配設し、
    前記二重筒状部よりも下流側に前記第２のフィルタユニットを配設し、
    前記二重筒状部の内周壁の内周部の出口に、排気ガスに旋回流を発生する旋回流発生手段を設け、該旋回流発生手段に前記内周部を通った排気ガスが供給されるように構成し、
    前記旋回流発生手段により旋回流を付与された排気ガスの流れの外周側の流れを粗い粒子捕集用の前記第１のフィルタユニットに導くと共に、前記旋回流を付与された排気ガスの流れの内周側の流れを細かい粒子捕集用の前記第２のフィルタユニットに導くように構成したことを特徴とする排気ガス浄化装置。
  2. 排気ガス中のＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化触媒ユニットと、排気ガス中のＰＭを浄化する第１のフィルタユニットと第２のフィルタユニットと、これらのユニットの浄化能力を回復する制御を行う排気ガス浄化制御装置とを備えた排気ガス浄化装置において、
    該排気ガス浄化装置を二重筒状に形成して、内周部に前記ＮＯｘ浄化触媒ユニットを配置し、外周部に粗い粒子捕集用の前記第１のフィルタユニットを配置すると共に、前記ＮＯｘ浄化触媒ユニットの下流側に、細かい粒子捕集用の前記第２のフィルタユニットを配置し、
    更に、前記ＮＯｘ浄化触媒ユニットと前記第２のフィルタユニットとの間に、排気ガスに旋回流を発生する旋回流発生手段を設け、
    該旋回流発生手段により旋回流を付与された排気ガスの流れの外周側の流れを前記第１のフィルタユニットに導くと共に、前記旋回流を付与された内周側の流れを前記第２のフィルタユニットに導くように構成したことを特徴とする排気ガス浄化装置。
  3. 前記排気ガス浄化制御装置が、前記第１のフィルタユニットのＰＭ強制再生制御の後に、前記ＮＯｘ浄化触媒ユニットの脱硫制御を行うことを特徴とする請求項２記載の排気ガス浄化装置。
  4. 排気ガス中のＰＭを浄化する第１のフィルタユニットと第２のフィルタユニットとを備えた排気ガス浄化装置の排気ガス浄化方法において、
    該排気ガス浄化装置を二重筒状に形成した二重筒状部の内周壁の外周部に前記第１のフィルタユニットを配設し、
    前記二重筒状部の内周壁の内周部の出口に、排気ガスに旋回流を発生する旋回流発生手段を設け、該旋回流発生手段に前記内周部を通った排気ガスが供給されるように構成し、
    旋回流を付与された排気ガスの流れの外周側の流れを粗い粒子捕集用の前記第１のフィルタユニットに導くと共に、前記旋回流を付与された排気ガスの流れの内周側の流れを前記二重筒状部の下流に配設した細かい粒子捕集用の前記第２のフィルタユニットに導くことを特徴とする排気ガス浄化方法。
  5. 排気ガス中のＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化触媒ユニットと、排気ガス中のＰＭを浄化する第１のフィルタユニットと第２のフィルタユニットを備えた排気ガス浄化装置の排気ガス浄化方法において、
    二重筒状に形成された前記排気ガス浄化装置の内周部に配置された前記ＮＯｘ浄化触媒ユニットから流出する排気ガスに旋回流を付与して、この旋回流を付与された排気ガスの流れの外周側の流れを、前記ＮＯｘ浄化触媒ユニットの外周部に配置した粗い粒子捕集用の前記第１のフィルタユニットに導くと共に、前記旋回流を付与された排気ガスの流れの内周側の流れを、前記ＮＯｘ浄化触媒ユニットの下流側に配置した細かい粒子捕集用の前記第２のフィルタユニットに導くことを特徴とする排気ガス浄化方法。
  6. 前記第１のフィルタユニットのＰＭ強制再生制御の後に、前記ＮＯｘ浄化触媒ユニットの脱硫制御を行う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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