JP2013234625A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アンモニアを用いた化学蓄熱により酸化触媒を加熱する構造において、アンモニアの熱分解を抑制することができる排気浄化装置を提供する。
【解決手段】排気浄化装置１は、排気管３に設けられた酸化触媒４と、化学蓄熱を利用して酸化触媒４を加熱する蓄熱器８とを備えている。酸化触媒４内には、触媒Ｓを担持する基材１３が配置されている。酸化触媒４は、触媒無し領域１４と、この触媒無し領域１４の後側（下流側）に位置する触媒塗布領域１５とからなっている。触媒塗布領域１５では、基材１３に触媒Ｓが塗布されている。蓄熱器８には、アンモニア（ＮＨ_３）を貯蔵する貯蔵器９がＮＨ_３供給管１０を介して接続されている。また、蓄熱器８内には、ＮＨ_３と化学反応するＭｇＣｌ_２等の蓄熱材１８が充填されている。蓄熱器８は、酸化触媒４の触媒無し領域１４の周囲に配置されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関からの排気ガスを浄化する排気浄化装置に関するものである。

従来の排気浄化装置としては、例えば特許文献１に記載されているものが知られている。特許文献１に記載の排気浄化装置は、エンジンからの排気ガスを送るためのパイプに接続され、排気ガスを浄化する触媒と、この触媒の触媒セラミック部の周囲に配置され、蓄熱物質（ＣａＯ）を内蔵してなる化学反応蓄熱装置とを備えている。エンジンの冷間始動時には、蓄熱物質に水を供給することで、ＣａＯ＋Ｈ_２Ｏ→Ｃａ（ＯＨ）_２＋熱という反応（発熱反応）が起こり、化学反応蓄熱装置から熱が発生するため、触媒が加熱される。一般走行時には、排気ガスの熱が化学反応蓄熱装置に吸収され、Ｃａ（ＯＨ）_２＋熱→ＣａＯ＋Ｈ_２Ｏという反応（再生反応）が起こり、再生された水が水蒸気として放出される。

特開昭５９−２０８１１８号公報

しかしながら、上記従来技術においては、蓄熱物質と反応する媒体として水を必要とするため、氷点下環境で動作させることが困難である。また、上記再生反応を起こすためには４００℃以上の熱が必要となるが、その熱をエンジンからの排気ガスから得ようとすると時間がかかるため、運転次第では再生反応が終了せず、必要な量の水が得られなくなる。このため、次回のエンジンの冷間始動時には触媒を加熱することができなくなる可能性がある。

そこで、ＣａＯとＨ_２Ｏとの反応系からＭｇＣｌ_２とＮＨ_３との反応系に置換することが考えられる。具体的には、蓄熱物質としてＭｇＣｌ_２を用い、その蓄熱物質と反応する媒体としてアンモニア（ＮＨ_３）を用い、ＭｇＣｌ_２＋６ＮＨ_３→ＭｇＣｌ_２（ＮＨ_３）_６＋熱という反応を起こすようにする。この場合には、氷点下環境で動作させることが可能となる。また、約１８０℃以上で再生反応が起こるため、ＮＨ_３の再生に必要な時間が短くて済む。

しかし、酸化触媒は例えば６００℃以上の高温状態になることがあり、この場合にはＮＨ_３が熱分解してしまう。ＮＨ_３が熱分解すると、ＭｇＣｌ_２とＮＨ_３との反応が進まなくなり、十分な熱が得られなくなる虞がある。

本発明の目的は、アンモニアを用いた化学蓄熱により酸化触媒を加熱する構造において、アンモニアの熱分解を抑制することができる排気浄化装置を提供することである。

本発明は、内燃機関からの排気ガスを浄化する排気浄化装置において、内燃機関の排気系に設けられた酸化触媒と、アンモニアと化学反応して熱を発生させる蓄熱材を有し、酸化触媒を加熱する蓄熱器と、蓄熱器にアンモニアを供給するアンモニア供給手段とを備え、酸化触媒は、第１領域と、第１領域の下流側に位置する第２領域とを有し、第２領域には、第１領域よりも多くの触媒が担持されており、蓄熱器は、第１領域の周囲に配置されていることを特徴とするものである。

このような排気浄化装置においては、蓄熱材とアンモニアとが化学反応することで熱が発生し、その熱によって酸化触媒が活性化温度まで加熱されるため、排気ガス中に含まれるＨＣやＣＯ等が酸化触媒により浄化されるようになる。ところで、酸化触媒は、燃料の反応により高温状態になることがある。本発明では、酸化触媒が第１領域とその下流側に位置する第２領域とに分けられ、第２領域に担持される触媒が第１領域に担持される触媒よりも多くなっている。従って、燃料の反応による熱によって第２領域の温度が第１領域の温度よりも高くなる。そこで、そのような高温状態になりにくい第１領域の周囲に蓄熱器を配置することにより、蓄熱器内のアンモニアの熱分解を抑制することができる。

好ましくは、第１領域には、触媒が担持されていない。この場合には、酸化触媒の第１領域では、燃料の反応による熱が発生しないため、更に高温状態になりにくくなる。これにより、蓄熱器内のアンモニアの熱分解を一層抑制することができる。

また、好ましくは、第１領域には、蓄熱器で発生した熱を第２領域に伝導するための熱伝導部材が配置されている。この場合には、蓄熱器で発生した熱が熱伝導部材を介して触媒の多い第２領域に伝えられるため、酸化触媒が活性化温度まで迅速に加熱されるようになる。

このとき、好ましくは、第２領域には、セラミックス製のハニカム構造体からなり、触媒を担持する基材が配置されており、熱伝導部材は、メタル製のハニカム構造体である。触媒を担持する基材をセラミックス製のハニカム構造体で構成することにより、触媒と基材との熱膨張差による触媒の割れ等を防止することができる。また、熱伝導部材としてメタル製のハニカム構造体を用いることにより、熱伝導性が高く且つ安価な熱伝導部材を得ることができる。

さらに、好ましくは、内燃機関がディーゼルエンジンであり、排気系における酸化触媒の下流側には、ディーゼル排気微粒子除去フィルタが設けられている。ディーゼルエンジンの酸化触媒は、その下流側のディーゼル排気微粒子除去フィルタに堆積したＰＭ（煤）を燃やすために、燃料を反応させて６００℃以上の高温状態を作り出す機能がある。従って、そのようなディーゼルエンジンの排気系に本発明の排気浄化装置を適用することが特に効果的である。

本発明によれば、アンモニアを用いた化学蓄熱により酸化触媒を加熱する構造においても、アンモニアの熱分解を抑制することができる。これにより、蓄熱材とアンモニアとの反応が長期間安定して維持され、蓄熱器から十分な熱を発生させることが可能となる。

本発明に係わる排気浄化装置の一実施形態を示す概略構成図である。 図１に示した酸化触媒及び蓄熱器を示す断面図である。 図２に示した酸化触媒の変形例を蓄熱器と共に示す断面図である。

以下、本発明に係わる排気浄化装置の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、図面において、同一または同等の要素には同じ符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明に係わる排気浄化装置の一実施形態を示す概略構成図である。同図において、本実施形態の排気浄化装置１は、ディーゼルエンジン（単にエンジンということがある）２の排気系に設けられ、エンジン２から排出される排気ガス中に含まれる有害物質（環境汚染物質）を浄化する装置である。

排気浄化装置１は、エンジン２と接続された排気管３の上流側から下流側に向けて順に配置された酸化触媒４、ディーゼル排気微粒子除去フィルタ（ＤＰＦ）５及び選択還元触媒（ＳＣＲ）６を備えている。酸化触媒４は、排気ガス中に含まれるＨＣやＣＯ等を酸化して浄化する触媒である。ＤＰＦ５は、排気ガス中に含まれるＰＭ（煤）を捕集して取り除くフィルタである。ＳＣＲ６は、尿素やアンモニアを供給して、排気ガス中に含まれるＮＯｘを還元して浄化する触媒である。エンジン２と酸化触媒４との間には、排気管３内に燃料を添加する燃料添加弁７が設けられている。

また、排気浄化装置１は、化学蓄熱を利用して酸化触媒４を加熱する蓄熱器８を更に備えている。蓄熱器８には、アンモニア（ＮＨ_３）を貯蔵する貯蔵器９がＮＨ_３供給管１０を介して接続されている。なお、ＮＨ_３供給管１０には、開閉弁１１が設けられている。

図２は、酸化触媒４及び蓄熱器８を示す断面図である。同図において、酸化触媒４は、排気管３と接合された触媒ケース１２を有し、この触媒ケース１２内には、触媒Ｓを担持する基材１３が配置されている。基材１３は、セラミックス製のハニカム構造体から構成されている。セラミックスとしては、例えばコージェライトが用いられる。コージェライトは、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）からなるセラミックスである。

酸化触媒４は、前側（上流側）に位置する触媒無し領域１４と、この触媒無し領域１４よりも後側（下流側）に位置する触媒塗布領域１５とからなっている。触媒塗布領域１５では、基材１３に触媒Ｓが塗布（担持）されている。触媒Ｓとしては、白金やパラジウム等の貴金属が用いられる。このとき、基材１３はセラミックスで構成されているので、触媒Ｓと基材１３との熱膨張差による触媒Ｓの割れや剥がれが防止される。なお、触媒無し領域１３では、基材１３に触媒Ｓが塗布（担持）されていない。

蓄熱器８は、酸化触媒４の触媒無し領域１４の周囲に配置されている。蓄熱器８は、触媒無し領域１４を取り囲むように触媒ケース１２に取り付けられた環状の筐体１６と、この筐体１６内に配置されると共に、上記のＮＨ_３供給管１０と接続されたＮＨ_３流路１７とを有している。また、筐体１６内には、ＮＨ_３と化学反応する蓄熱材１８が充填されている。蓄熱材１８としては、ＭｇＣｌ_２、ＣａＣｌ_２、ＮｉＣｌ_２、ＺｎＣｌ_２、ＳｒＣｌ_２等が用いられる。

酸化触媒４の触媒塗布領域１５における触媒ケース１２と基材１３との間には、触媒塗布領域１５の熱を保持するための断熱材１９が介在されている。断熱材１９としては、例えばグラスファイバやセラミックファイバ等が用いられる。

このような排気浄化装置１において、エンジン２からの排気ガスの温度が低い暖機運転時には、開閉弁１１が開弁し、貯蔵器９に貯蔵されたＮＨ_３がＮＨ_３供給管１０を介して蓄熱器８に導入される。すると、蓄熱器８に充填された蓄熱材１８（ここではＭｇＣｌ_２）とＮＨ_３とが化学反応して化学吸着し、蓄熱器８から熱が発生する。つまり、下記の反応式における左辺から右辺への反応（発熱反応）が起こる。そして、蓄熱器８から発生した熱によって、酸化触媒４が汚染物質の浄化に適した活性化温度まで上昇する。
ＭｇＣｌ_２＋６ＮＨ_３ ⇔ ＭｇＣｌ_２（ＮＨ_３）_６＋熱

一方、エンジン２からの排気ガスの温度が高い通常運転時には、排気ガスの熱（排熱）が蓄熱器８に与えられることでＭｇＣｌ_２とＮＨ_３とが分離する。つまり、上記の反応式における右辺から左辺への反応（再生反応）が起こる。そして、開閉弁１１が開弁した状態で、分離したＮＨ_３が蓄熱器８からＮＨ_３供給管１０を介して貯蔵器９に戻る。

このとき、蓄熱材１８と反応する媒体としてＮＨ_３を使用することにより、蓄熱器８を氷点下環境でも動作させることが可能である。また、排熱による再生反応は約１８０℃以上で可能となるため、再生にかかる時間が短くなり、再生反応を確実に終了させることができる。

ところで、酸化触媒４は、ＤＰＦ５に堆積した煤を燃やして処理するために、燃料添加弁７より添加された燃料を反応させて６００℃以上の高温状態を作り出すという役割も有している。具体的には、燃料添加弁７より添加された燃料が、触媒Ｓの作用により排気ガス中の酸素と反応することで、酸化触媒４上にて高温の熱が発生する。これにより、酸化触媒４を通過する排気ガスの温度が上昇し、高温となった排気ガスが下流側のＤＰＦ５に流れることで、煤が燃焼する。

本実施形態では、酸化触媒４は、触媒Ｓが塗布されていない触媒無し領域１４と、この触媒無し領域１４よりも後側に位置し、触媒Ｓが塗布された触媒塗布領域１５とに分けられている。このため、添加された燃料と排気ガス中の酸素との反応による高温の熱は、触媒塗布領域１５でのみ発生することになる。従って、触媒塗布領域１５が６００℃以上の高温状態となっても、触媒無し領域１４が高温状態となることは無い。そして、蓄熱器８は、そのような高温状態になり得ない触媒無し領域１４の周囲に配置されている。これにより、蓄熱器８内に存在するＮＨ_３の熱分解を抑制することができる。その結果、ＮＨ_３の総量が確保されるため、発熱反応を促進させて十分な熱を発生させ、ひいては酸化触媒４の加熱性能を向上させることが可能となる。

なお、上記効果を得るためには、触媒無し領域１４を酸化触媒４の上流側に配置し、触媒塗布領域１５を酸化触媒４の下流側に配置することも重要である。ここで、酸化触媒４と排気ガスとの間の熱の移動について、説明を補足する。暖機運転時には、蓄熱器８より熱が発生し、その熱が酸化触媒４の触媒無し領域１４を経由して、熱伝導により触媒塗布領域１５に移動する。このとき、触媒無し領域１４の温度は排気ガスの温度よりも高くなるため、熱の一部は排気ガスに持ち去られる。しかし、温度が上昇した排気ガスは、その後に触媒塗布領域１５に流れる。このため、結果として触媒無し領域１４にて奪われた熱も、触媒塗布領域１５の触媒Ｓが活性化温度に上昇するために有効に作用することになる。一方で、添加された燃料が触媒塗布領域１５上で酸化反応を生じ、高温状態となった場合には、熱伝導は逆の経路をたどり、触媒無し領域１４を経由して蓄熱器８に熱が移動する。この場合も、触媒無し領域１４の温度は排気ガスの温度よりも高くなるため、排気ガスにより熱の一部が持ち去られる。しかし、熱伝導による熱の移動の向きと排気ガスの流れの向きとが逆であるため、排気ガスに持ち去られた熱が蓄熱器８の温度上昇に寄与することはなく、蓄熱器８の温度上昇は適度に抑制されたものとなる。

図３は、図２に示した酸化触媒４の変形例を蓄熱器８と共に示す断面図である。同図において、酸化触媒４は、上述したように触媒無し領域１４及び触媒塗布領域１５からなっている。

触媒ケース１２内の触媒塗布領域１５には、上記と同様にセラミックス製のハニカム構造体からなる基材１３が配置されている。その基材１３には、触媒Ｓが塗布されている。触媒ケース１２内の触媒無し領域１４には、セラミックス製のハニカム構造体よりも熱伝導性の良いメタル製のハニカム構造体２０が配置されている。メタルとしては、ステンレス等が用いられる。なお、ハニカム構造体２０には、触媒Ｓは塗布されていない。

このような構成では、蓄熱材１８とＮＨ_３との化学反応によって蓄熱器８から熱が発生すると、その熱がメタル製のハニカム構造体２０を介して触媒塗布領域１５に伝導されるようになる。従って、酸化触媒４が活性化温度まで直ちに上昇し、酸化触媒４の加熱性能が更に良くなる。

なお、蓄熱器８から発生した熱を触媒塗布領域１５に伝導する熱伝導部材としては、特にメタル製のハニカム構造体２０には限られず、例えば肉厚の大きいフィン構造体等としても良い。

以上、本発明に係わる排気浄化装置の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、酸化触媒４の触媒ケース１２内の少なくとも触媒塗布領域１５に、セラミックス製のハニカム構造体からなる基材１３を配置したが、特にその形態には限られず、触媒ケース１２内の触媒塗布領域１５及び触媒無し領域１４にわたってメタル製のハニカム構造体からなる基材を配置しても良い。

また、上記実施形態では、酸化触媒４を、触媒Ｓが塗布されていない触媒無し領域（第１領域）１４と触媒Ｓが塗布された触媒塗布領域（第２領域）１５とに分けるように構成したが、特にそれには限られず、後側の第２領域に塗布される触媒Ｓの量を前側の第１領域に塗布される触媒Ｓの量よりも多くすれば良い。この場合、第１領域に塗布される触媒の量Ｓとしては、ＮＨ_３の熱分解が発生しない程度とする。

さらに、上記実施形態の排気浄化装置１では、ディーゼルエンジン２の排気系におけるＤＰＦ５の上流側に設けられた酸化触媒４に蓄熱器８が取り付けられているが、本発明は、ガソリンエンジンの排気系に設けられた酸化触媒にも適用可能である。

また、上記実施形態では、エンジン２の暖機運転時に、蓄熱器８にＮＨ_３を供給し、蓄熱器８より熱を発生させることとしたが、蓄熱器８より熱を発生させる時期としては、特に暖機運転時に限定されるものではない。他のエンジン２の運転状態においても、排気ガスの温度が低く、酸化触媒４の温度が活性化温度以下に下がった場合、或いは下がることが予想される場合には、蓄熱器８より熱を発生させて酸化触媒４を加熱しても良い。

１…排気浄化装置、２…ディーゼルエンジン（内燃機関）、３…排気管（排気系）、４…酸化触媒、５…ディーゼル排気微粒子除去フィルタ（ＤＰＦ）、８…蓄熱器、９…貯蔵器（アンモニア供給手段）、１０…ＮＨ_３供給管（アンモニア供給手段）、１１…開閉弁（アンモニア供給手段）、１３…基材、１４…触媒無し領域（第１領域）、１５…触媒塗布領域（第２領域）、１８…蓄熱材、２０…ハニカム構造体（熱伝導部材）、Ｓ…触媒。

Claims (5)

1. 内燃機関からの排気ガスを浄化する排気浄化装置において、
   前記内燃機関の排気系に設けられた酸化触媒と、
   アンモニアと化学反応して熱を発生させる蓄熱材を有し、前記酸化触媒を加熱する蓄熱器と、
   前記蓄熱器に前記アンモニアを供給するアンモニア供給手段とを備え、
   前記酸化触媒は、第１領域と、前記第１領域の下流側に位置する第２領域とを有し、
   前記第２領域には、前記第１領域よりも多くの触媒が担持されており、
   前記蓄熱器は、前記第１領域の周囲に配置されていることを特徴とする排気浄化装置。
2. 前記第１領域には、前記触媒が担持されていないことを特徴とする請求項１記載の排気浄化装置。
3. 前記第１領域には、前記蓄熱器で発生した熱を前記第２領域に伝導するための熱伝導部材が配置されていることを特徴とする請求項１または２記載の排気浄化装置。
4. 前記第２領域には、セラミックス製のハニカム構造体からなり、前記触媒を担持する基材が配置されており、
   前記熱伝導部材は、メタル製のハニカム構造体であることを特徴とする請求項３記載の排気浄化装置。
5. 前記内燃機関がディーゼルエンジンであり、
   前記排気系における前記酸化触媒の下流側には、ディーゼル排気微粒子除去フィルタが設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の排気浄化装置。

Images