JP2009209889A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】粉末尿素を用いてＮＯXを良好に還元する。
【解決手段】機関排気通路内に粉末尿素供給弁１５が配置され、粉末尿素供給弁１５とＮＯX選択還元触媒１４との間にウォールフロー型の水吸着触媒１３が配置される。この水吸着触媒１３には排気ガスの流通する触媒表面上に、排気ガス中に含まれる炭化水素分子は侵入しないが排気ガス中に含まれる水分子は侵入可能である径の細孔が無数に形成される。粉末尿素は排気ガス中に含まれる水分子および水吸着触媒１３に吸着されている水分子により加水分解される。
【選択図】図１
【解決手段】機関排気通路内に粉末尿素供給弁１５が配置され、粉末尿素供給弁１５とＮＯX選択還元触媒１４との間にウォールフロー型の水吸着触媒１３が配置される。この水吸着触媒１３には排気ガスの流通する触媒表面上に、排気ガス中に含まれる炭化水素分子は侵入しないが排気ガス中に含まれる水分子は侵入可能である径の細孔が無数に形成される。粉末尿素は排気ガス中に含まれる水分子および水吸着触媒１３に吸着されている水分子により加水分解される。
【選択図】図１
Description
本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。
機関排気通路内にＮＯX選択還元触媒を配置し、ＮＯX選択還元触媒上流の機関排気通路内に粉末尿素供給弁を配置し、粉末尿素供給弁とＮＯX選択還元触媒との間にパティキュレートフィルタや加水分解触媒からなる粉末尿素昇華促進手段を配置し、粉末尿素供給弁から供給された粉末尿素を粉末尿素昇華促進手段により気体尿素に昇華させ、気体尿素から発生したアンモニアによりＮＯX選択還元触媒において排気ガス中に含まれるＮＯXを選択的に還元するようにした内燃機関が公知である（例えば特許文献１を参照）。
無論、ＮＯX選択還元触媒に尿素水を供給するようにしても尿素水から発生するアンモニアによってＮＯXを浄化することができる。しかしながら同じ量のアンモニアを発生させるのに必要な粉末尿素の容積は尿素水の容積よりもかなり小さく、斯くして車両への搭載性からみると粉末尿素を用いることは極めて好ましいと言える。また、粉末尿素は尿素水のように凍結することもないので尿素水を用いた場合のように凍結防止策を施こす必要もなく、従ってこの意味からも粉末尿素を用いることは好ましいと言える。従って上述の内燃機関ではＮＯXを還元するために粉末尿素が用いられている。
特開２００２−１５５７３３号公報
ところで上述の内燃機関では粉末尿素昇華促進手段を用いて排気ガス温により粉末尿素を気体尿素に昇華させるようにしている。しかしながら粉末尿素の昇華温度は１５０℃から１６０℃とかなり高く、従って排気ガスが低いときには粉末尿素を十分に昇華させることができず、斯くしてアンモニアを十分に発生させることができないという問題がある。
上記問題を解決するために本発明によれば、機関排気通路内にＮＯX選択還元触媒を配置し、ＮＯX選択還元触媒上流の機関排気通路内に粉末尿素供給弁を配置し、粉末尿素供給弁からの供給粉末尿素から発生したアンモニアによりＮＯX選択還元触媒において排気ガス中に含まれるＮＯXを選択的に還元するようにした内燃機関の排気浄化装置において、粉末尿素供給弁とＮＯX選択還元触媒との間にウォールフロー型の水吸着触媒を配置し、この水吸着触媒は排気ガスの流通する触媒表面上に、排気ガス中に含まれる炭化水素分子は侵入しないが排気ガス中に含まれる水分子は侵入可能である径の細孔が無数に形成されており、排気ガス中に含まれる水分子は水吸着触媒の細孔内に吸着され、粉末尿素供給弁から供給された粉末尿素は排気ガス中に含まれる水分子および水吸着触媒に吸着されている水分子により加水分解されてアンモニアが生成せしめられる。
排気ガス中に含まれる水分子に加え水吸着触媒に吸着されている水分子を用いて粉末尿素を加水分解することによってＮＯXの還元に必要な量の粉末尿素を加水分解することができ、ＮＯXの還元に必要な量のアンモニアを生成することができる。粉末尿素の加水分解温度は９０℃程度であり、従って排気ガス温が低いときでもアンモニアを十分に発生させることができる。
図１に圧縮着火式内燃機関の全体図を示す。
図１を参照すると、１は機関本体、２は各気筒の燃焼室、３は各燃焼室２内に夫々燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、４は吸気マニホルド、５は排気マニホルドを夫々示す。吸気マニホルド４は吸気ダクト６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの出口に連結され、コンプレッサ７ａの入口は吸入空気量検出器８を介してエアクリーナ９に連結される。吸気ダクト６内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁１０が配置され、更に吸気ダクト６周りには吸気ダクト６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１１が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置１１内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。
図１を参照すると、１は機関本体、２は各気筒の燃焼室、３は各燃焼室２内に夫々燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、４は吸気マニホルド、５は排気マニホルドを夫々示す。吸気マニホルド４は吸気ダクト６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの出口に連結され、コンプレッサ７ａの入口は吸入空気量検出器８を介してエアクリーナ９に連結される。吸気ダクト６内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁１０が配置され、更に吸気ダクト６周りには吸気ダクト６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１１が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置１１内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。
一方、排気マニホルド５は排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｂの入口に連結され、排気タービン７ｂの出口は排気管１２を介して水吸着触媒１３の入口に連結される。水吸着触媒１３の下流には例えばＦｅゼオライトからなるＮＯX選択還元触媒１４が配置される。水吸着触媒１３上流の排気管１２内には粉末尿素供給弁１５が配置されており、図１においてＧで示されるように粉末尿素供給弁１５からは粉末尿素が水吸着触媒１３の上流側端面全体に向けて噴射される。
粉末尿素供給弁１５は粉末尿素供給管１６を介して粉末尿素タンク１７に連結され、粉末尿素タンク１７内に貯留されている粉末尿素が粉末尿素供給管１６を介して粉末尿素供給弁１５に送り込まれる。粉末尿素タンク１７内の粉末尿素を粉末尿素供給弁１５に送り込んで粉末尿素供給弁１５から噴射させるために例えば高圧ガスが使用されるがここでは粉末尿素の噴射方法に関する詳細な説明を省略する。
一方、排気マニホルド５と吸気マニホルド４とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路１８を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路１８内には電子制御式ＥＧＲ制御弁１９が配置される。また、ＥＧＲ通路１８周りにはＥＧＲ通路１８内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２０が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置２０内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁３は燃料供給管２１を介してコモンレール２２に連結され、このコモンレール２２は電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２３を介して燃料タンク２４に連結される。燃料タンク２４内に貯蔵されている燃料は燃料ポンプ２３によってコモンレール２２内に供給され、コモンレール２２内に供給された燃料は各燃料供給管２１を介して燃料噴射弁３に供給される。
図２（Ａ）および（Ｂ）は水吸着触媒１３の構造を示している。なお、図２（Ａ）は水吸着触媒１３の正面図を示しており、図２（Ｂ）は水吸着触媒１３の側面断面図を示している。図２（Ａ）および（Ｂ）に示されるように水吸着触媒１３はハニカム構造をなしており、互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路３０，３１を具備する。これら排気流通路は下流端が栓３２により閉塞された排気ガス流入通路３０と、上流端が栓３３により閉塞された排気ガス流出通路３１とにより構成される。なお、図２（Ａ）においてハッチングを付した部分は栓３３を示している。従って排気ガス流入通路３０および排気ガス流出通路３１は薄肉の隔壁３４を介して交互に配置される。云い換えると排気ガス流入通路３０および排気ガス流出通路３１は各排気ガス流入通路３０が４つの排気ガス流出通路３１によって包囲され、各排気ガス流入通路３１が４つの排気ガス流入通路３０によって包囲されるように配置される。
水吸着触媒１３の基体は例えばコージライトのような多孔質材料から形成されており、従って排気ガス流入通路３０内に流入した排気ガスは図２（Ｂ）において矢印で示されるように周囲の隔壁３４内を通って隣接する排気ガス流出通路３１内に流出する。即ち、水吸着触媒１３はウォールフロー型の水吸着触媒からなる。このように水吸着触媒１３をウォールフロー型にすると排気ガスは隔壁３４を通り抜けるが粉末尿素供給弁１５から噴射された粉末尿素は隔壁３４を通り抜けることができず、これら粉末尿素は排気ガス流入通路３０内に蓄積される。
ところで本発明では粉末尿素供給弁１５から噴射された粉末尿素を排気ガス中に含まれる水分により加水分解してアンモニアを発生させ（ＣＯ（ＮＨ2）2＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋２ＮＨ3）、発生したアンモニアをＮＯX選択還元触媒１５に吸着させ、ＮＯX選択還元触媒１５に吸着したアンモニアによって排気ガス中に含まれるＮＯXを還元するようにしている。従って本発明ではＮＯX選択還元触媒１５にＮＯXを還元するのに十分な量のアンモニアを吸着させておくことが必要であり、そのためには十分な吸着アンモニア量を確保するのに必要な量のアンモニアを粉末尿素から発生させる必要がある。
ところで排気ガス中には粉末尿素を加水分解して必要な量のアンモニアを発生させるのに十分な量の水分が含まれている。しかしながら粉末尿素を排気ガス中に噴射した場合、粉末尿素は排気ガスの極く一部としか接触しない。従ってこの場合排気ガス中に含まれる水分の極く一部しか粉末尿素の加水分解に使用されないので必要な量のアンモニアを発生させることはできない。
この場合、必要な量のアンモニアを発生させるためには排気ガス中に含まれる水分全体を可能な限り粉末尿素の加水分解に使用する必要があり、そのために本発明では粉末尿素供給弁１５とＮＯX選択還元触媒１４との間にウォールフロー型の水吸着触媒１３を配置するようにしている。即ち、本発明では排気ガス中に含まれる水分子を水吸着触媒１３に吸着させ、粉末尿素供給弁１５から供給された粉末尿素を排気ガス中に含まれる水分子および水吸着触媒１３に吸着されている水分子の双方により加水分解するようにしている。このようにすると必要な量のアンモニアを発生させることができる。
ところで排気ガス中の水分は排気ガスの流通する水吸着触媒１３表面上に存在する細孔内に侵入して保持され、従って水吸着触媒１３は排気ガスの流通する触媒表面上に無数の細孔を有している。一方、排気ガス中には炭化水素分子、即ちＨＣ分子が含まれており、このＨＣ分子も細孔内に侵入する。しかしながらＨＣ分子が先に細孔内に侵入してしまうともはや水分子は細孔内に侵入することができなくなる。従って水分子を細孔内に侵入させて細孔内に保持するためにはＨＣ分子が細孔内に侵入しないようにする必要がある。
ところで水分子の径は排気ガス中に含まれるＨＣ分子の径よりも小さい。即ち、水分子径はほぼ０．３ｎｍである。これに対し、排気ガス中に含まれるＨＣ分子のうちで最小径のものはメタンＣＨ4であってメタンの径はほぼ０．４ｎｍである。従って細孔の径をＨＣ分子は侵入しないが水分子は侵入可能な径に形成しておくと細孔内にはＨＣ分子は侵入せず、水分子が侵入することになる。
従って本発明では、水吸着触媒１３には排気ガスの流通する触媒表面上に、排気ガス中に含まれる炭化水素分子は侵入しないが排気ガス中に含まれる水分子は侵入可能である径の細孔が無数に形成されている。その結果、排気ガス中に含まれる水分子は水吸着触媒１３の細孔内に吸着され、粉末尿素供給弁１５から供給された粉末尿素は排気ガス中に含まれる水分子および水吸着触媒に吸着されている水分子により加水分解されてアンモニアが生成される。
ところで本発明による実施例では水吸着触媒１３の基体上にＸ型ゼオライトのコート層が形成されている。即ち、本発明による実施例では水吸着触媒１３として強力な水吸着能を有するＸ型ゼオライトが用いられている。図３（Ａ）はこのＸ型ゼオライトの表面上に形成された細孔４０を図解的に表している。このＸ型ゼオライトの細孔４０の径ｄ1はかなり大きく、従ってこのＸ型ゼオライトをそのまま使用すると細孔４０内にＨＣ分子が侵入する。
そこで本発明による実施例では図３（Ｂ）に示されるようにＸ型ゼオライトの細孔４０の入口部に積層状のシリカ層４１を形成することによって排気ガス中に含まれる炭化水素分子は侵入しないが排気ガス中に含まれる水分子は侵入可能である径ｄ2まで細孔径が縮少せしめられている。
このシリカ層４１を形成する方法は公知であって、例えばゼオライト結晶表面のシラノール基とテトラメトキシシランＳｉ（ＯＣＨ3）4を反応させた後、加水分解してシラノール基を再生させ、次いでこの操作を数回繰返した後、焼成する。焼成すると積層状のシリカ層４１が形成され、このシリカ層４１によって細孔４０の径がｄ2まで縮少せしめられる。本発明による実施例では細孔４０の径が０．３ｎｍまで縮少せしめられている。
このように本発明では水吸着触媒１３には多量の水が吸着されており、粉末尿素供給弁１５から噴射された粉末尿素は排気ガス流入通路３０内に蓄積されるので粉末尿素供給弁１５から噴射された全ての粉末尿素が水吸着触媒１３内において良好に加水分解される。その結果、ＮＯX選択還元触媒１５への十分な吸着アンモニア量を確保するのに必要な量のアンモニアが粉末尿素から生成され、斯くして高いＮＯX浄化率を得ることができることになる。
なお、図１に示される実施例において水吸着触媒１３とＮＯX選択還元触媒１４との間に加水分解を促進するための加水分解促進触媒を配置することもできる。
また、排気ガス中に含まれる気体状の水分を捕獲するために粉末尿素供給弁１５に送り込まれる粉末尿素内、例えば粉末尿素タンク１７内の粉末尿素内に保水能を有する粉末状のゲル化剤を混合させることもできる。このゲル化剤としては保水能を有する高吸水性ポリマ、例えばポリアクリル酸ナトリウムを用いることもできるし、グリセリンとソルビットの混合物を使用することもできる。このようなゲル化剤を用いることによって水吸着触媒１３の保水能力を高めることができる。
図４に別の実施例を示す。この実施例では粉末尿素供給弁１５上流の機関排気通路内にパティキュレートフィルタ４２が配置されており、ＮＯX選択還元触媒１４の下流に酸化触媒４３が配置されている。また、粉末尿素供給弁１５は高圧空気供給管４４を介して高圧空気タンク４５にも連結されており、粉末尿素供給弁１５は粉末尿素と空気とを選択的に供給可能に形成されている。この粉末尿素と空気との供給切換作用はコンピュータ制御の電子制御ユニット４６の出力信号に基づいて行われる。
この実施例では通常、粉末尿素供給弁１５から粉末尿素が噴射されている。これに対し、パティキュレートフィルタ４２の再生時には粉末尿素供給弁１５は粉末尿素の供給を停止して空気を供給するように切換えられる。即ち、パティキュレートフィルタ４２の再生時にはパティキュレートフィルタ４２から流出する排気ガス中には十分な酸素が存在しなくなるが、この実施例ではパティキュレートフィルタ４２の再生時に粉末尿素供給弁１５から空気が供給されるのでパティキュレートフィルタ４２から流出する燃えかす等の微粒子を酸化触媒４３において酸化させることができる。
図５に排気浄化制御ルーチンを示す。図５を参照するとまず初めにステップ５０においてパティキュレートフィルタ４２の再生時であるか否かが判別される。パティキュレートフィルタ４２の再生時でないときにはステップ５１に進んで粉末尿素供給弁１５から粉末尿素が供給され、パティキュレートフィルタ４２の再生時にはステップ５２に進んで粉末尿素供給弁１５から空気が供給される。
４ 吸気マニホルド
５ 排気マニホルド
７ 排気ターボチャージャ
１３ 水吸着触媒
１４ ＮＯX選択還元触媒
１５ 粉末尿素供給弁
５ 排気マニホルド
７ 排気ターボチャージャ
１３ 水吸着触媒
１４ ＮＯX選択還元触媒
１５ 粉末尿素供給弁
Claims (4)
- 機関排気通路内にＮＯX選択還元触媒に配置し、該ＮＯX選択還元触媒上流の機関排気通路内に粉末尿素供給弁を配置し、粉末尿素供給弁からの供給粉末尿素から発生したアンモニアによりＮＯX選択還元触媒において排気ガス中に含まれるＮＯXを選択的に還元するようにした内燃機関の排気浄化装置において、上記粉末尿素供給弁とＮＯX選択還元触媒との間にウォールフロー型の水吸着触媒を配置し、該水吸着触媒には排気ガスの流通する触媒表面上に、排気ガス中に含まれる炭化水素分子は侵入しないが排気ガス中に含まれる水分子は侵入可能である径の細孔が無数に形成されており、排気ガス中に含まれる水分子は水吸着触媒の該細孔内に吸着され、粉末尿素供給弁から供給された粉末尿素は排気ガス中に含まれる水分子および水吸着触媒に吸着されている水分子により加水分解されてアンモニアが生成せしめられる内燃機関の排気浄化装置。
- 水吸着触媒としてＸ型ゼオライトを用い、Ｘ型ゼオライトの細孔の入口部に積層状のシリカ層を形成することによって排気ガス中に含まれる炭化水素分子は侵入しないが排気ガス中に含まれる水分子は浸入可能である径まで細孔径が縮少せしめられている請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 粉末尿素供給弁に送り込まれる粉末尿素内に保水能を有するゲル化剤を混合した請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 粉末尿素供給弁上流の機関排気通路内にパティキュレートフィルタを配置し、粉末尿素供給弁が粉末尿素と空気とを選択的に供給可能に形成されており、パティキュレートフィルタの再生時には粉末尿素供給弁は粉末尿素の供給を停止して空気を供給する請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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|---|---|---|---|---|
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2008
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| CN108889121A (zh) * | 2018-06-14 | 2018-11-27 | 潍坊学院 | 一种汽车站用可后挂式汽车尾气高效净化处理装置 |
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