JP2011069231A - 排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガスの温度が急激に上昇しても急激に多量のアンモニアが大気中へ放出されることを防止する排気ガス浄化装置の提供。
【解決手段】内燃機関から排出された排気ガスが流通する排気経路１２と、排気経路１２に設けられる第１のＳＣＲ触媒１６と、排気経路１２における第１のＳＣＲ触媒１６の上流側にて尿素水を排気経路に添加する尿素水添加手段１５と、排気経路１２における第１のＳＣＲ触媒１６の下流側にて排気ガスの熱を吸収する熱吸収体１７と、排気経路１２の熱吸収体１７の下流側に設けられる第２のＳＣＲ触媒１８とを有する
【選択図】 図１

Description

この発明は、排気ガス浄化装置に関し、特に、尿素を用いて排気ガス中の窒素酸化物を選択的に還元する選択的触媒還元方式の触媒を有する排気ガス浄化装置に関する。

内燃機関の排気ガス中の窒素酸化物（以下「ＮＯｘ」と表記する）を低減させる排気ガス浄化装置としては、例えば、特許文献１に記載された排気浄化装置が知られている。
この種の排気ガス浄化装置は、排気通路中に排気ガス中のＮＯｘを選択的に還元する選択的触媒還元方式の触媒（以下「ＳＣＲ触媒」と表記する）と、ＳＣＲ触媒の上流側にて還元剤としての尿素水溶液を噴射する還元剤噴射弁を備えている。
この種の排気ガス浄化装置によれば、ＳＣＲ触媒の温度推移を予測しながら、尿素の水溶液噴射量を制御することにより、ＳＣＲ触媒の還元効率の低下が防止される。

特開２００８−２８０９５５号公報

ところで、運転中の内燃機関の負荷や回転数が急激に大きくなると、排気ガスの温度が急上昇し、ＳＣＲ触媒の温度が急上昇する場合がある。
この場合、ＳＣＲ触媒に吸着されているアンモニアが急激に放出されるアンモニア・スリップが発生し、多量のアンモニアが排気ガス中に急激に放出される。
このように、従来技術では、アンモニア・スリップにより多量のアンモニアが排気ガス中に急激に放出され、このアンモニアが排気ガス中にて還元利用しきれずに大気中に排出されてしまうという問題がある。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、排気ガスの温度が急上昇しても急激に多量のアンモニアが大気中へ放出されることを防止する排気ガス浄化装置の提供にある。

上記の課題を解決するために、本発明は、内燃機関から排出された排気ガスが流通する排気経路と、前記排気経路に設けられる第１のＳＣＲ触媒と、前記排気経路における前記第１のＳＣＲ触媒の上流側にて尿素水を前記排気経路に添加する尿素水添加手段と、前記排気経路における前記第１のＳＣＲ触媒の下流側にて前記排気ガスの熱を吸収する熱吸収体と、前記排気経路の前記熱吸収体の下流側に設けられる第２のＳＣＲ触媒とを有することを特徴とする。

本発明によれば、内燃機関の負荷や回転数が急激に大きくなる等により排気ガスの温度が急上昇しても、排気ガスの熱は熱吸収体に吸収されるため、熱吸収体より下流側にある第２のＳＣＲ触媒の温度が急激に上昇せず、第２のＳＣＲ触媒でのアンモニア・スリップを防止することができる。したがって、排気ガスの温度が急上昇しても急激に多量のアンモニアが大気中へ放出されることを防止する排気ガス浄化装置を提供することができる。

また、本発明では、上記の排気ガス浄化装置において、第１のＳＣＲ触媒および第２のＳＣＲ触媒はゼオライト系材料の触媒成分を有してもよい。

この場合、ゼオライト系材料の触媒成分を用いることにより、第１のＳＣＲ触媒および第２のＳＣＲ触媒において、尿素の加水分解により形成されるアンモニアを吸着し、排気ガスに含まれるＮＯｘを選択的に還元することができる。

また、本発明では、上記の排気ガス浄化装置において、前記熱吸収体は、高熱容量体よりなるようにしてもよい。

この場合、熱吸収体が高い熱容量を有することにより、特に、急激に温度上昇した排気ガスの熱が熱吸収体に吸収されやすくなる。

本発明によれば、排気ガスの温度が急上昇しても急激に多量のアンモニアが大気中へ放出されることを防止する排気ガス浄化装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る排気ガス浄化装置の構成例を示す図である。 ＳＣＲ触媒のアンモニア吸着能力と温度との関係を示すグラフ図である。 第１のＳＣＲ触媒においてアンモニア・スリップを生じたときの状態を説明する図である。 別例に係る排気ガス浄化装置の構成例を示す図である。

以下、本発明の実施形態に係る排気ガス浄化装置を図面に基づいて説明する。
この実施形態では、内燃機関としてのディーゼルエンジンを搭載した車両に適用した例について説明する。
図１に示す排気ガス浄化装置１０は、ディーゼルエンジン（以下「エンジン」と表記する）１１から排出された排気ガスを流通する排気経路１２に設置された酸化触媒１３と、酸化触媒１３の下流側に設置されたＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）１４と、ＤＰＦ１４の下流側に設けられた尿素水添加手段１５と、尿素水添加手段１５の下流側に設置された第１のＳＣＲ触媒１６と、第１のＳＣＲ触媒１６の下流側に設置された熱吸収体１７と、熱吸収体１７の下流側に設置された第２のＳＣＲ触媒１８とを有している。

酸化触媒１３は、ハニカム状のコーディエライト等の触媒担体（図示せず）と、この触媒担体の表面に担持させた酸化触媒成分（図示せず）とを備えている。
酸化触媒１３は、排気ガス中の一酸化窒素を酸化して二酸化窒素を生成する。
ＤＰＦ１４はハニカム状のフィルタ体（図示せず）を備えており、ＤＰＦ１４は排気ガス中のＰＭ（Particulate Matter）を捕集する。

尿素水添加手段１５は、排気経路１２内を臨む尿素水噴射弁１９と、尿素水を貯溜する尿素水タンク２０と、尿素水タンク２０の尿素水を尿素水噴射弁１９に供給する供給ポンプ２１とを備えている。
供給ポンプ２１は図示しない制御手段であるＥＣＵ（Engine Control Unit）により制御される。
ＮＯｘ浄化に必要となる尿素水は供給ポンプ２１の作動により尿素水噴射弁１９から噴射され、噴射された尿素水が排気経路１２内の排気ガスへ添加される。
排気ガスに添加された尿素水は、加水分解により還元成分としてのアンモニアとなる。

第１のＳＣＲ触媒１６および第２のＳＣＲ触媒１８は、選択的触媒還元方式の触媒であり、ゼオライト系材料により形成された触媒成分（図示せず）と、この触媒成分を担持する触媒担体（図示せず）とを備えている。
このように構成される第１のＳＣＲ触媒１６および第２のＳＣＲ触媒１８は、アンモニアを一時的に吸着するアンモニア吸着層（図示せず）を備える。
第１のＳＣＲ触媒１６および第２のＳＣＲ触媒１８によるアンモニアの吸着能力は、図２に示すように、温度と反比例する関係にある。
図２のグラフでは、第１のＳＣＲ触媒１６および第２のＳＣＲ触媒１８の温度が上がるにつれてアンモニアの吸着能力は低くなり、温度が下がるにつれてアンモニアの吸着能力は高くなる。
第１のＳＣＲ触媒１６および第２のＳＣＲ触媒１８は、急激な温度上昇により吸着されているアンモニアを一気に放出するアンモニア・スリップを発生する性質を有する。

熱吸収体１７は、例えば、銅系金属材料やアルミニウム系金属材料等の熱伝導性に優れた金属材料により構成されており、充分な熱容量（ヒートマス）を有する高熱容量体であり、図示はしないが熱交換を促進させる放熱フィンを形成した構造を持つ。
熱吸収体１７は、熱吸収体１７内を通過する排気ガスと熱交換する冷却水などの熱交換媒体を通す熱交換媒体流路を備えてもよい。
熱吸収体１７は、排気ガスの温度が急激に上昇しても熱吸収体１７を通過するときに排気ガスの熱を吸収し、熱吸収体１７の下流側に設けた第２のＳＣＲ触媒１８の温度上昇を緩慢にさせる。
なお、アンモニアを含む排気ガスが熱吸収体１７を通過する場合があることから、熱吸収体１７は耐アンモニア性に優れた材料（例えば、鉄系金属材料）を用いて構成するか、あるいは、耐アンモニア性に優れた材料を熱吸収体１７の母材に被膜する必要がある。

次に、この実施形態の排気ガス浄化装置１０による排気ガスの浄化について説明する。
エンジン１１から排出された排気ガスは、排気経路１２を通り酸化触媒１３流入する。酸化触媒１３に流入した排気ガスに含まれる一酸化窒素は酸化触媒１３により酸化されて二酸化窒素になる。
酸化触媒１３を通過した排気ガスはＤＰＦ１４に流入し、排気ガス中のＰＭがＤＰＦ１４のフィルタ体により捕集される。
ＤＰＦ１４から排出された排気ガスは、尿素水噴射弁１９から噴射された尿素水が添加されて第１のＳＣＲ触媒１６に流入する。このときの排気ガスに含まれるＮＯｘ量に応じて尿素水が添加される。
排気ガスに添加された尿素水は、第１のＳＣＲ触媒１６において排気ガスの熱と排気ガス中の水蒸気により加水分解されてアンモニアと二酸化炭素になる。

生成されたアンモニアは第１のＳＣＲ触媒１６の温度が低い場合、その大部分は第１のＳＣＲ触媒１６に吸着される。
第１のＳＣＲ触媒１６の温度が触媒活性温度以上に上昇すると、第１のＳＣＲ触媒１６のアンモニア吸着層に吸着されたアンモニアと排気ガス中のＮＯｘが反応して、窒素および水となり、排気ガス中のＮＯｘが浄化される。

続いて、第１のＳＣＲ触媒１６から排出された排気ガスは熱吸収体１７に流入する。このとき、熱吸収体１７と排気ガスとの間で熱交換されるため、排気ガスの温度が低下する。
その後、排気ガスは第２のＳＣＲ触媒１８に流入する。
第２のＳＣＲ触媒１８において第１のＳＣＲ触媒１６で消費できなかった排気ガスに残留するアンモニアが吸着され、第２のＳＣＲ触媒１８を通過した排気ガスは大気中へ放出される。

ところで、車両が急加速する等、エンジン１１の負荷や回転数が急激に大きくなった場合の本実施形態の排気ガス浄化装置１０の動作を図３を使って説明する。
エンジン１１の負荷や回転数が急激に大きくなり、排気ガスの温度が急上昇すると、図３のグラフＡ１に示すように、第１のＳＣＲ触媒１６の温度は短時間で温度ａから温度ｂに急上昇する。
すると、第１のＳＣＲ触媒１６のアンモニア吸着能力が急激に低下し、図３のグラフＢ１に示すように、第１のＳＣＲ触媒１６におけるアンモニア吸着層に吸着されているアンモニアが一気に放出され、第１のＳＣＲ触媒１６から排出される排気ガス中のアンモニア量が基準値よりも高くなる。
なお、ここでいう排気ガス中のアンモニア量が基準値より高いとは、排気ガスが大気中に放出されるとアンモニアによる悪臭を発生するようなアンモニア量であることを意味し、排気ガス中のアンモニア量が基準値より低いとは、排気ガスが大気中に放出されてもアンモニアによる悪臭を実質的に発生しないアンモニア量であることを意味するが、上記基準値は適宜変更可能である。

第１のＳＣＲ触媒１６から排出される排気ガスは熱吸収体１７を通過する。この熱吸収体１７の通過時に排気ガスの熱は熱吸収体１７に吸収され、排気ガスの温度が低下する。
熱吸収体１７を通過した排気ガスは第２のＳＣＲ触媒１８に流入する。
第２のＳＣＲ触媒１８に流入する排気ガスは第２のＳＣＲ触媒１８を加熱するが、本実施形態の排気ガス浄化装置１０は熱吸収体１７によって排ガスの温度が低下するため、第２のＳＣＲ触媒１８の温度上昇は、図３のグラフＡ２に示すように、第１のＳＣＲ触媒１６の温度上昇と比較して緩やかとなる。

したがって、第２のＳＣＲ触媒１８におけるアンモニア吸着層に吸着されているアンモニアは徐々に放出されるため、図３のグラフＢ２に示すように、第２のＳＣＲ触媒１８を通過した後の排気ガス中のアンモニア量は、図３のグラフＢ１に示す第１のＳＣＲ触媒１６を通過した後の排気ガス中のアンモニア量のように急激に上昇せず、徐々に上昇する。

次に、エンジン１１が常温に長時間置かれた状態から始動（コールドスタート又は低温始動）する場合について説明する。
この場合、エンジン１１の始動直後では、エンジン１１から排出された排気ガスの温度は、例えば、通常走行時の排気ガスの温度と比較して低い状態あるが、時間経過とともに徐々に排気ガスの温度が上昇する。
エンジン１１に高い負荷がかかると、排気ガス中にＮＯｘが発生するので、尿素水の添加してＮＯｘを除去する必要がある。
ＮＯｘを除去するために早めに第１のＳＣＲ触媒１６の温度を触媒活性温度以上に上昇させる必要があるが、本実施形態の第１のＳＣＲ触媒１６は、第１のＳＣＲ触媒１６が熱吸収体１７より上流側に存在するため、熱吸収体１７が第１のＳＣＲ触媒１６の温度上昇の妨げとなることはない。
これに対して仮に、第１のＳＣＲ触媒１６を設けず、熱吸収体１７と第２のＳＣＲ触媒１８の組み合わせによる構成とすると排気の熱が熱吸収体１７に吸収されるため、第２のＳＣＲ触媒１８の温度上昇が本実施の形態に比べて遅くなり、発生したＮＯｘが大気中に放出される可能性が高くなる。

この実施形態では以下の効果を奏する。
（１）エンジン１１の負荷や回転数が急激に大きくなることにより排気ガスの温度が急上昇しても排気ガスの熱は熱吸収体１７を通過するときに熱吸収体１７に吸収される。このため、熱吸収体１７より下流側にある第２のＳＣＲ触媒１８の温度上昇を熱吸収体１７より上流側にある第１のＳＣＲ触媒１６の温度上昇と比較して緩慢にすることができ、第２のＳＣＲ触媒１８を通過した後の排気ガス中のアンモニア量が急激に上昇しない。
（２）排気経路１２において第１のＳＣＲ触媒１６と熱吸収体１７と第２のＳＣＲ触媒１８を直列的に配置する構成により、第１のＳＣＲ触媒１６におけるアンモニア・スリップ発生時、急激に多量のアンモニアが大気中へ放出されることを防止できるほか、エンジン１１の通常運転時および低温始動時に至る幅広いエンジンの運転範囲にてＮＯｘの浄化を可能とする。

（３）排気経路１２において第１のＳＣＲ触媒１６と熱吸収体１７と第２のＳＣＲ触媒１８を直列的に配置する構成により、第２のＳＣＲ触媒１８の下流側で急激に多量のアンモニアが排出されることがないから、従来、ＳＣＲ触媒の下流側に設けていた、白金やバナジウム等の貴金属材料を用いた酸化触媒を省略することが可能である。従って、排気ガス浄化装置の製作コストを低減することができる。
（４）第１のＳＣＲ触媒１６および第２のＳＣＲ触媒１８は触媒成分としてゼオライト系材料が用いられているから、第１のＳＣＲ触媒１６および第２のＳＣＲ触媒１８において、尿素の加水分解により生成されるアンモニアを吸着し、排気ガスに含まれるＮＯｘを選択的に還元することができる。
（５）第１のＳＣＲ触媒１６と熱吸収体１７と第２のＳＣＲ触媒１８を直列的に配置していることから、分岐のない単純化された排気経路１２を形成することができる。
（６）熱吸収体１７が銅系金属材料やアルミニウム系金属材料等の熱伝導性に優れた金属材料により構成され、高い熱容量を有することにより、特に、急激に温度上昇した場合の排気ガスの熱が熱吸収体１７に吸収されやすくなる。

なお、この実施形態に係る排気ガス浄化装置１０の別例として、図４に示すように、第２のＳＣＲ触媒１８の下流側にアンモニア除去用の酸化触媒２２を設けるようにしてもよい。
酸化触媒２２は、上流側から流れる排気ガス中にアンモニアが含まれる場合にアンモニアを分解除去する。
第１のＳＣＲ触媒１６、熱吸収体１７および第２のＳＣＲ触媒１８の構成により、第２のＳＣＲ触媒１８を通過した後の排気ガスは、小量のアンモニアしか存在しないことから、酸化触媒２２はアンモニア除去能力の低いものでよい。
これにより、酸化触媒２２は、従来の構成に必要な酸化触媒と比較すると、白金又はバナジウム等の貴金属材料の使用量を低減することができる。

なお、上記の実施形態（別例を含む）に係る排気ガス浄化装置は、本発明の一実施形態を示すものであり、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、下記のように発明の趣旨の範囲内で種々の変更が可能である。
○ 上記の実施形態では、排気経路において第１のＳＣＲ触媒、熱吸収体および第２のＳＣＲ触媒を夫々独立するように設けたが、例えば、第１のＳＣＲ触媒と熱吸収体を共通のハウジングに収納した一体化構造とし、一体化した第１のＳＣＲ触媒と熱吸収体の下流側に別体の第２のＳＣＲ触媒を設けてもよい。あるいは、第１のＳＣＲ触媒、熱吸収体および第２のＳＣＲ触媒は全て共通のハウジングに収納して一体化してもよい。いずれの場合も、排気ガスが第１のＳＣＲ触媒、熱吸収体、第２のＳＣＲ触媒の順序で通過する構成とする。第１のＳＣＲ触媒、熱吸収体および第２のＳＣＲ触媒が一部または全部が一体化された構成となることにより、排気ガスが通過する流路の短縮化を図ることができる。
○ 上記の実施形態では、内燃機関としてのディーゼルエンジンを搭載した自動車に本発明を適用した例を示したが、内燃機関はガソリンエンジンであってもよく、内燃機関を自動車に搭載することに限定する趣旨ではない。例えば、内燃機関を搭載する船舶等の移動体や、設備や工場等に設置された内燃機関に本発明を適用することを妨げない。
○ 上記の実施形態では、熱吸収体として排気ガスの熱を吸収することで下流側の第２のＳＣＲ触媒の温度上昇を第１のＳＣＲ触媒の温度上昇に比べて緩慢にさせる機能のみを持つ構成としたが、熱吸収体の目的とする機能を有する範囲では別の機能が付加されてもよい。例えば、触媒作用等の他の機能を備えられてもよく、具体的には、熱容量の大きな触媒を熱吸収体として用いてもよい。
○ 上記の実施形態では、排気経路における尿素水添加手段の上流側に酸化触媒およびＤＰＦを設けるようにしたが、本発明に係る排気ガス浄化装置は酸化触媒およびＤＰＦを必須の構成としない。従って、酸化触媒およびＤＰＦを設置しなくてもよいし、酸化触媒およびＤＰＦを設ける場合であってもその設置位置は自由である。

１０ 排気ガス浄化装置
１１ ディーゼルエンジン（内燃機関）
１２ 排気経路
１３ 酸化触媒
１４ ＤＰＦ
１５ 尿素水添加手段
１６ 第１のＳＣＲ触媒
１７ 熱吸収体
１８ 第２のＳＣＲ触媒
１９ 尿素水噴射弁
２０ 尿素水タンク
２１ 供給ポンプ
２２ 酸化触媒

Claims (3)

1. 内燃機関から排出された排気ガスが流通する排気経路と、
   前記排気経路に設けられる第１のＳＣＲ触媒と、
   前記排気経路における前記第１のＳＣＲ触媒の上流側にて尿素水を前記排気経路に添加する尿素水添加手段と、
   前記排気経路における前記第１のＳＣＲ触媒の下流側にて前記排気ガスの熱を吸収する熱吸収体と、
   前記排気経路の前記熱吸収体の下流側に設けられる第２のＳＣＲ触媒とを有することを特徴とする排気ガス浄化装置。
2. 第１のＳＣＲ触媒および第２のＳＣＲ触媒はゼオライト系材料の触媒成分を有することを特徴とする請求項１記載の排気ガス浄化装置。
3. 前記熱吸収体は、高熱容量体よりなることを特徴とする請求項１又は２記載の排気ガス浄化装置。