JP2010242515A

JP2010242515A - 排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法

Info

Publication number: JP2010242515A
Application number: JP2009089258A
Authority: JP
Inventors: Yoshihisa Tashiro; 欣久田代
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2009-04-01
Filing date: 2009-04-01
Publication date: 2010-10-28

Abstract

【課題】小型な装置でＮＯｘとＰＭを浄化することができる排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法を提供する。
【解決手段】内燃機関の排気通路２にＤＰＦ装置４と選択還元型ＮＯｘ触媒コンバータ５を備えた排気ガス浄化システム１において、排気通路２の上流側から順に、尿素噴射装置１０、前記ＤＰＦ装置４、前記選択還元型ＮＯｘ触媒コンバータ５を配置すると共に、前記ＤＰＦ装置４に酸化機能を有する触媒を担持させずに、尿素分解触媒を担持させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気ガス中のＮＯｘ及びＰＭを低減するための排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法に関し、より詳細には、尿素噴射装置とＤＰＦ装置と選択還元型ＮＯｘ触媒コンバータを用い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。

車両搭載のディーゼルエンジン等の内燃機関の排気ガスの浄化に関して、ＮＯｘ（窒素酸化物）及びＰＭ（粒子状物質）の排気ガス規制の強化に伴い、ＰＭ及びＮＯｘを低減する装置が必要となり、ＰＭの代表的な低減装置としてはＤＰＦ（ディーゼルパティキュレ−トフィルタ）装置が使用されている。また、ＮＯｘ低減のための代表的な装置の一つとして、尿素を用いてＮＯｘを還元する選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ触媒）コンバータが使用されている。

ＮＯｘとＰＭの両方を浄化するための排気ガス浄化システムでは、尿素又は尿素水をＤＰＦ装置の上流側で噴射した場合、ＤＰＦ装置の上流側の酸化触媒（ＤＯＣ）コンバータとＤＰＦ装置に担持された貴金属触媒により、尿素から分解されたアンモニア（ＮＨ₃）がＮＯｘに変化してしまうため、選択還元型ＮＯｘ触媒コンバータのための還元剤として機能できないという問題がある。そのため、尿素又は尿素水の噴射は、ＤＰＦ装置の下流側で、且つ、選択還元型ＮＯｘ触媒コンバータの上流側で噴射する必要がある。

従って、ＮＯｘとＰＭの両方を浄化するための代表的な排気ガス浄化システムは、図２に示すように、上流側にＤＰＦ装置４、その下流側に選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ）コンバータ５を装着するシステム１Ｘが一般的となっている。この排気ガス浄化システム１Ｘでは、ＤＰＦ装置４の上流側に、ＤＰＦ装置４の強制再生のための排気管内燃料直接噴射装置８を設けると共に、ＤＰＦ装置４と選択還元型ＮＯｘ触媒コンバータ５の間に尿素噴射装置１０を設けている。なお、排気管内燃料直接噴射の替わりに、シリンダ内燃料噴射におけるポスト噴射を用いる場合には、排気管内燃料直接噴射装置８は設けなくてもよい。

これらの従来技術の排気ガス浄化システムとして、例えば、排気管の途中に、ＤＰＦ、尿素水添加手段、選択還元型触媒を配置し、尿素水添加手段と選択還元型触媒の間の流路に、少なくとも一つ以上の曲部を形成した排気浄化装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、排気管の途中に、ＤＰＦ、尿素水添加手段、選択還元型触媒を配置し、尿素水添加手段と選択還元型触媒の間の流路を、ＤＰＦから出た排気ガスを前方に折り返して選択還元型触媒に導入する連絡流路を設けて、この連絡流路の途中に尿素水添加用インジェクタを設けた排気浄化装置が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

しかしながら、尿素又は尿素水を選択還元型ＮＯｘ触媒コンバータの上流側で噴射した場合においても、噴射された尿素を排気管内における均一化のための距離と、尿素を熱分解（加水分解）してアンモニアに変化させるための反応時間が必要となる。そのため、尿素噴射装置（尿素噴射ノズル）から選択還元型ＮＯｘ触媒コンバータの入口までの距離を長くすることが必要となる。この距離としてある程度以上の距離が必要となるため、車両に搭載するレイアウト上で大きな問題となる。

また、排気管内に噴射された尿素を、短い距離で拡散させ、アンモニアに分解させるため、拡散板等を設けることが提案されているが、燃費の悪化やエンジン出力の低下を伴う排圧上昇が生じるという問題がある。

また、図３に示すように、低温で、かつ、短時間に尿素をアンモニア化するために尿素分解触媒コンバータ１２を、選択還元型ＮＯｘ触媒コンバータ５の上流側に配設する排気ガス浄化システム１Ｙも提案されているが、尿素分解触媒用の触媒コンバータ１２の追加が必要であり、排気ガス浄化ユニット１１が大きくなるなど、レイアウト上の問題やコスト増加の問題がある。

特開２００９−３６１０９公報特開２００９−３６０４１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、貴金属触媒等の酸化能力を有する触媒を担持させていないＤＰＦ装置に、尿素分解触媒を担持させて、ＤＰＦ装置にＤＰＦ機能と尿素分解機能を持たせることにより、小型な装置でＮＯｘとＰＭを浄化することができる排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法を提供することにある。

上記のような目的を達成するための排気ガス浄化システムは、内燃機関の排気通路にＤＰＦ装置と選択還元型ＮＯｘ触媒コンバータを備えた排気ガス浄化システムにおいて、排気通路の上流側から順に、尿素噴射装置、前記ＤＰＦ装置、前記選択還元型ＮＯｘ触媒コンバータを配置すると共に、前記ＤＰＦ装置に酸化機能を有する触媒を担持させずに、尿素分解触媒を担持させて構成される。

この構成によれば、ＤＰＦに担持された尿素分解触媒には、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、二酸化珪素（ＳｉＯ₂）、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）等が使用されるが、ＤＰＦ装置に捕集されたＰＭ（粒子状物質）を酸化除去するＤＰＦ再生に対して弊害とならないので、このＤＰＦ装置はＰＭ捕集機能と尿素分解触媒によるアンモニア生成機能とを有する。そのため、尿素噴射装置から噴射された尿素を、短時間で低温からアンモニアに分解できるため、ＤＰＦ装置と選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ触媒）コンバータとの間の距離が短くて済み、同じ筐体にＤＰＦ装置と選択還元型ＮＯｘ触媒コンバータを収納して一体化が可能となる。

また、尿素分解触媒をＤＰＦ装置に担持しているので、改めて尿素分解触媒を担持するための触媒コンバータが不要になり、排気ガス浄化ユニットの容積を増加することが不要になるので、コストの上昇を抑えられる。

また、上記の排気ガス浄化システムにおいて、前記尿素噴射装置の上流側に、排気管内燃料直接噴射装置、上流側酸化触媒コンバータを配設すると共に、前記選択還元型ＮＯｘ触媒コンバータの下流側に、下流側酸化触媒コンバータを配設して構成される。この構成によれば、ＤＰＦ装置に捕集されたＰＭを燃焼除去する場合等で、排気ガスの温度が十分に昇温していないときに、排気管内燃料直接噴射装置から噴射された燃料を上流側酸化触媒コンバータで酸化して排気ガスの温度を上昇することができる。また、下流側酸化触媒コンバータにより、選択還元型ＮＯｘ触媒コンバータから流出してくるアンモニアや未燃燃料の炭化水素等を酸化除去することができる。

また、上記の排気ガス浄化システムにおいて、前記上流側酸化触媒コンバータ、前記尿素噴射装置、前記ＤＰＦ装置、前記選択還元型ＮＯｘ触媒コンバータ、前記下流側酸化触媒コンバータを同一の筐体に収納して一つ排気ガス浄化ユニットとして構成される。この構成によれば、排気ガス浄化システムをコンパクトにすることができ、製造が簡単化すると共に、排気ガス浄化ユニットが一つに纏まるので排気通路への配置スペースが小さくなり、配置し易くなる。

上記のような目的を達成するための排気ガス浄化方法は、内燃機関の排気通路に排出される排気ガス中のＮＯｘを還元浄化する排気ガス浄化方法において、前記排気通路に上流側から順に、尿素噴射装置、前記ＤＰＦ装置、前記選択還元型ＮＯｘ触媒コンバータを配置すると共に、前記ＤＰＦ装置に酸化機能を有する触媒を担持させずに、尿素分解触媒を担持させて、前記尿素噴射装置から噴射された尿素を前記ＤＰＦ装置に担持された尿素分解触媒で加水分解してアンモニアを発生し、このアンモニアを使用して排気ガス中のＮＯｘを前記選択還元型ＮＯｘ触媒コンバータで還元することを特徴とする方法である。

この方法によれば、尿素噴射装置から噴射された尿素又は尿素水は、尿素分解触媒が担持されているＤＰＦ装置に供給されるので、このＤＰＦ装置で尿素を短時間で低温からアンモニア（ＮＨ₃）に分解されるため、選択還元型ＮＯｘ触媒コンバータまでの距離を必要としなくなる。従って、ＤＰＦ装置と選択還元型ＮＯｘ触媒コンバータとを同じ筐体に収納して一体化することが可能となり、排気ガス浄化システムを小型化できる。

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、ＤＰＦ装置に酸化機能を有する触媒を担持させないことにより尿素から発生するアンモニアの酸化を防止し、ＤＰＦ装置に担持された尿素分解触媒は、ＤＰＦ再生に対して弊害とならないので、このＤＰＦ装置はＰＭ捕集機能と尿素分解触媒によるアンモニア生成機能とを有する。そのため、尿素噴射装置から噴射された尿素を、短時間で低温からアンモニアに分解できるため、ＤＰＦ装置と選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ触媒）コンバータとの間の距離が短くて済み、同じ筐体にＤＰＦ装置と選択還元型ＮＯｘ触媒コンバータを収納して一体化が可能となる。

また、尿素分解触媒をＤＰＦ装置に担持しているので、改めて尿素分解触媒を担持するための触媒コンバータが不要になり、排気ガス浄化ユニットの容積の増加が不要になるので、コストの上昇を抑えられる。

本発明の実施の形態の排気ガス浄化システムの構成を示した図である。従来技術のＰＭとＮＯｘの両方を浄化するための排気ガス浄化システムの構成を示した図である。従来技術のＰＭとＮＯｘの両方を浄化するための排気ガス浄化システムの他の構成を示した図である。

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）に接続された吸気通路２に上流側から順に、上流側酸化触媒（ＤＯＣ）コンバータ３、ＤＰＦ装置４，選択還元型ＮＯｘ触媒コンバータ５、下流側酸化触媒（ＤＯＣ）コンバータ６を一つの筐体（ケース）１１に収納して形成する。また、燃料タンク７からの燃料を排気通路２に噴射する排気管内燃料直接噴射装置８を上流側酸化触媒コンバータ３の上流側に設ける。更に、尿素水タンク９からの尿素水をＤＰＦ４の上流側の筐体１１内に噴射するための尿素噴射装置１０を設ける。

上流側酸化触媒コンバータ３と下流側酸化触媒コンバータ６は、多孔質のセラミックのハニカム構造の担持体に、白金等の酸化触媒を担持させて形成される。この上流側酸化触媒コンバータ３は、ＤＰＦ装置４に捕集されたＰＭを酸化除去する際に、排気管内燃料直接噴射装置８から供給される燃料を酸化して、この酸化反応で生じる熱で排気ガスを上昇する役割を果たす。また、下流側酸化触媒コンバータ６は、ＤＰＦ装置４と選択還元型ＮＯｘ触媒コンバータ５から流出してくる未燃燃料の炭化水素（ＨＣ）やアンモニア等を酸化してこれらの成分が大気中へ流出するのを防止する役割を果たす。

本発明においては、ＤＰＦ装置４に酸化機能を有する触媒を担持させずに、尿素分解触媒を担持させて構成する。このＤＰＦ装置４は、多孔質のセラミックのハニカムのチャンネル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尿素分解触媒を担持させる。

この尿素分解触媒（Hydrolysis Catalyst）としては、酸化アルミニウム（アルミナ：Ａｌ₂Ｏ₃）、二酸化珪素（シリカ：ＳｉＯ₂）、二酸化ジルコニウム（ジルコニア：ＺｒＯ₂）、二酸化チタン（チタニア：ＴｉＯ₂）、ゼオライト等を用いることができる。この尿素分解触媒により、尿素（（ＮＨ₂）₂ＣＯ）は、（ＮＨ₂）₂ＣＯ→ＮＨ₃＋ＨＮＣＯ，ＨＮＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋ＮＨ₃の反応によりアンモニア（ＮＨ₃）に分解される。

この尿素分解触媒は、ＤＰＦ装置４に捕集されたＰＭ（粒子状物質）を酸化除去するＤＰＦ再生に対しては弊害とならないので、このＤＰＦ装置４はＰＭ捕集機能と尿素分解触媒によるアンモニア生成機能とを有するようになり、尿素噴射装置１０から噴射された尿素を、短時間で低温からアンモニア（ＮＨ₃）と二酸化炭素（ＣＯ₂）に分解できるようになる。

このＤＰＦ装置４により、排気ガス中のＰＭ（粒子状物質）は、多孔質のセラミックの壁で捕集される。また、担持した尿素分解触媒により、尿素を分解してアンモニアを発生させて、このアンモニアを下流側の選択還元型ＮＯｘ触媒コンバータ５に供給する。なお、ＤＰＦ装置４には酸化機能を有する触媒を担持させていないので、アンモニアの酸化を防止できる。

このＤＰＦ装置４が尿素分解触媒を担持する構成により、尿素分解触媒用の触媒コンバータの追加をすることがないため、排気ガス浄化装置の容量の増加を抑制でき、コストの上昇を抑えることができる。更に、尿素水を短時間でアンモニアに分解できるので、尿素噴射装置１０と選択還元型ＮＯｘ触媒コンバータ５の距離を短くすることできる。そのため、ＤＰＦ装置４と選択還元型ＮＯｘ触媒コンバータ５を一つの筐体１１に収納して一体化することができるようになる。

選択還元型ＮＯｘ触媒コンバータ５は、コージェライトや酸化アルミニウムや酸化チタン等で形成されるハニカム構造等の担持体に、チタニア−バナジウム、ゼオライト、クロム、マンガン、モリブデン、チタン、タングステン等の一つまたは幾つかの組み合わせを担持して形成される。この構成により、アンモニアを吸着し、このアンモニアでＮＯｘを還元浄化する。なお、この選択還元型ＮＯｘ触媒コンバータ５でＮＯｘを浄化する場合には尿素を上流側に設けられている尿素噴射装置１０から供給する。

従って、上記の構成の排気ガス浄化システム１及び排気ガス浄化方法によれば、ＤＰＦ４に担持された尿素分解触媒により、ＰＭ捕集機能と共に、尿素分解触媒によるアンモニア生成機能とを有するため、尿素噴射装置１０から噴射された尿素を、短時間で低温からアンモニアに分解できる。そのため、ＤＰＦ装置４と選択還元型ＮＯｘ触媒コンバータ５との間の距離が短くて済み、同じ筐体１１にＤＰＦ装置４と選択還元型ＮＯｘ触媒コンバータ５を収納して一体化が可能となる。

また、尿素分解触媒をＤＰＦ装置４に担持しているので、改めて尿素分解触媒を担持するための触媒コンバータが不要になり、排気ガス浄化ユニットを形成する筐体１１の容積の増加が不要になるので、コストの上昇を抑えられる。

本発明の排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法は、尿素噴射装置から噴射された尿素を、短時間で低温からアンモニアに分解できるため、ＤＰＦ装置と選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ触媒）コンバータとの間の距離が短くて済み、同じ筐体にＤＰＦ装置と選択還元型ＮＯｘ触媒コンバータを収納して一体化でき、車両搭載に適した小型化ができるので、自動車搭載等の内燃機関の排気ガス浄化システムや排気ガス浄化方法として利用できる。

１排気ガス浄化システム
２排気通路
３上流側酸化触媒（ＤＯＣ）コンバータ
４ＤＰＦ装置
５選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ）コンバータ
６下流側酸化触媒（ＤＯＣ）コンバータ
７燃料タンク
８排気管内燃料直接噴射装置
９尿素水タンク
１０尿素噴射装置
１１筐体

Claims

内燃機関の排気通路にＤＰＦ装置と選択還元型ＮＯｘ触媒コンバータを備えた排気ガス浄化システムにおいて、排気通路の上流側から順に、尿素噴射装置、前記ＤＰＦ装置、前記選択還元型ＮＯｘ触媒コンバータを配置すると共に、前記ＤＰＦ装置に酸化機能を有する触媒を担持させずに、尿素分解触媒を担持させたことを特徴とする排気ガス浄化システム。
前記尿素噴射装置の上流側に、排気管内燃料直接噴射装置、上流側酸化触媒コンバータを配設すると共に、前記選択還元型ＮＯｘ触媒コンバータの下流側に、下流側酸化触媒コンバータを配設した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。
前記上流側酸化触媒コンバータ、前記尿素噴射装置、前記ＤＰＦ装置、前記選択還元型ＮＯｘ触媒コンバータ、前記下流側酸化触媒コンバータを同一の筐体に収納して一つ排気ガス浄化ユニットとし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。
内燃機関の排気通路に排出される排気ガス中のＮＯｘを還元浄化する排気ガス浄化方法において、前記排気通路に上流側から順に、尿素噴射装置、前記ＤＰＦ装置、前記選択還元型ＮＯｘ触媒コンバータを配置すると共に、前記ＤＰＦ装置に酸化機能を有する触媒を担持させずに、尿素分解触媒を担持させて、前記尿素噴射装置から噴射された尿素を前記ＤＰＦ装置に担持された尿素分解触媒で加水分解してアンモニアを発生し、このアンモニアを使用して排気ガス中のＮＯｘを前記選択還元型ＮＯｘ触媒コンバータで還元することを特徴とする排気ガス浄化方法。