JP2014234715A - 排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガスの圧力損失の上昇を抑えながら排気ガスの浄化効率を向上させた排気ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】分散部材２０は、円筒形状の本体２１と、本体２１の軸線方向の一方の端部に設けられた略長方形形状を有する板状の８つの羽根２２とを備えている。羽根２２は、金属粉末を成型して焼結する粉末冶金によって製造され、無数の細孔が存在する多孔質性の粉末合金となる。羽根２２の表面及び内部（細孔の内表面）には、加水分解触媒が担持されている。
【選択図】図２

Description

この発明は、排気ガス浄化装置に関する。

ディーゼルエンジンの排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減するために、尿素ＳＣＲシステムが開発されている。尿素ＳＣＲシステムの基本構成は、一酸化窒素（ＮＯ）や炭化水素（ＨＣ）等を酸化するための酸化触媒と、酸化触媒の下流側に設けられ、尿素水から生成したアンモニアとＮＯｘとの化学反応により、ＮＯｘを窒素及び水にするためのＳＣＲ触媒と、ＳＣＲ触媒に尿素水を添加するための尿素添加システムと、ＳＣＲ触媒の下流側に設けられ、ＳＣＲ触媒における化学反応で消費されずに残ったアンモニアを酸化するためのアンモニアスリップ触媒とから構成される。

このような排気ガス浄化装置において、尿素添加システムから添加された尿素水が排気ガス中で十分に分散されて加水分解し、ＳＣＲ触媒中でできる限り一様にアンモニアが分散することが、ＮＯｘの浄化効率の向上に好ましい。添加された尿素水を排気ガス中に十分に分散させることを目的として、ＳＣＲ触媒の上流側に分散板を設ける技術が特許文献１に記載されている。また、尿素水の微粒化を促進すると共に排気ガス中にさらに拡散させやすくするために、分散板を加熱するための加熱装置を設けることも記載されている。

特開２００９−２４６５４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の排気ガス浄化装置に設けられた分散板には、圧力損失が大きくなり過ぎないように、排気ガスが通過するための通過路をある程度の開口率で設けなければならない。その結果、分散板の構造にある程度制限が生じるため、排気ガスの分散効果が限定されるといった問題点があった。

この発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、排気ガスの圧力損失の上昇を抑えながら排気ガスの浄化効率を向上させた排気ガス浄化装置を提供することを目的とする。

内燃機関から排出された排気ガスが流通する排気管と、排気管に設けられた浄化触媒と、浄化触媒の上流に設けられ該浄化触媒に液体物質を供給する供給手段と、浄化触媒と供給手段との間に設けられた分散部材とを備え、分散部材の少なくとも一部が粉末合金からなる。粉末合金からなる部分は、複数の細孔からなる多孔質であるため、排気ガスの一部は、複数の細孔を通って分散部材を通過することができる。
分散部材を加熱する加熱手段を備えてもよい。
分散部材は、排気ガスの流れを乱す散乱部を有してもよい。
液体物質は尿素水であり、尿素を加水分解する加水分解触媒が分散部材に担持されていてもよい。
液体物質は軽油であり、軽油を燃焼させる酸化触媒が分散部材に担持されていてもよい。

この発明によれば、分散部材の少なくとも一部が粉末合金からなることにより、排気ガスの一部は、粉末合金からなる部分に存在する複数の細孔を通って分散部材を通過することができるので、排気ガスの圧力損失の上昇を抑えながら排気ガスの浄化効率を向上させることができる。

この発明の実施の形態１に係る排気ガス浄化装置の構成模式図である。 実施の形態１に係る排気ガス浄化装置の分散部材の平面図である。 実施の形態２に係る排気ガス浄化装置の構成模式図である。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
この実施の形態１に係る排気ガス浄化装置の構成を図１に示す。内燃機関であるディーゼルエンジン１から排出された排気ガスが流通する排気管２に、酸化触媒３と、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）４と、アンモニアを還元剤としてＮＯｘを選択的に還元するＳＣＲ触媒５（浄化触媒）と、ＳＣＲ触媒５を通過してきたアンモニアを酸化するアンモニアスリップ触媒６とが順次設けられている。排気管２には、ＤＰＦ４とＳＣＲ触媒５との間に、尿素水を供給する供給手段である噴射ノズル７が設けられており、噴射ノズル７は、配管８を介して、尿素水を貯留する尿素水タンク９に連通している。配管８には、尿素水タンク９内の尿素水を噴射ノズル７に供給するための尿素水添加システム１０が設けられている。尿素水添加システム１０は、制御手段であるＥＣＵ１４に電気的に接続されている。また、排気管２には、噴射ノズル７とＳＣＲ触媒５との間に、分散部材２０が設けられている。

図２に示されるように、分散部材２０は、排気管２（図１参照）の内径とほぼ同じ外径を有する円筒形状の本体２１と、本体２１の軸線方向の一方の端部に設けられた略長方形形状を有する板状の８つの羽根２２とを備えている。本体２１は、その外周面が排気管２の内周面に接するように設けられている。羽根２２は、円周方向において相互に近接して配置されている。隣り合う羽根の一方の端部同士が部分的に重なり合う部分には、八角形形状の中央通路２３が構成され、各羽根の他方の端部側では、隣り合う羽根の間に、扇形形状の隙間２４が構成されている。ここで、羽根２２は、後述する動作で排気ガスが分散部材２０を通過する際に排気ガスの流れを乱すことになるので、分散部材２０の散乱部を構成する。

羽根２２は、金属粉末を成型して焼結する粉末冶金によって製造される。金属粉末は、鉄系、銅系、ステンレス系、チタン系、タングステン系等、任意のものでよい。成型は主にプレス成形で行われ、特に、金属粉末射出成形法（Metal Injection Molding）を用いて行ってもよい。その結果、羽根２２は、無数の細孔が存在する多孔質性の粉末合金となる。このようにして製造された羽根２２を、尿素をアンモニアに加水分解する加水分解触媒のスラリーに浸漬して焼結することで、羽根２２の表面及び内部（細孔の内表面）に加水分解触媒が担持される。羽根２２の表面だけではなく、羽根２２の内部にも加水分解触媒が担持されるので、通常の金属片から羽根を製造した場合に比べて加水分解触媒の担持量を増加できる。

図１に示されるように、分散部材２０が設けられている箇所の排気管２の外周面の周りに電熱線３１が巻きつけられ、それを覆うように保温部材３２が設けられている。電熱線３１は、ディーゼルエンジン１を搭載した車両のバッテリ３０にスイッチ３３を介して電気的に接続されている。ここで、電熱線３１によって排気管２の一部が加熱され、その熱が分散部材２０に伝わって分散部材２０を加熱することになるので、電熱線３１は、分散部材２０を加熱する加熱手段を構成する。

排気管２には、ＤＰＦ４と分散部材２０との間に、排気ガスの温度を検出する温度センサ３５が設けられている。温度センサ３５はＥＣＵ１４に電気的に接続されている。また、スイッチ３３も、ＥＣＵ１４に電気的に接続されている。

次に、この実施の形態１に係る排気ガス浄化装置の動作について説明する。
図１に示されるように、ディーゼルエンジン１の始動後、ディーゼルエンジン１から排出された排気ガスは、排気管２を流通する。排気ガスが酸化触媒３を流通することにより、排気ガス中の一酸化窒素（ＮＯ）の一部が二酸化窒素（ＮＯ_２）に酸化され、一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素（ＨＣ）も酸化される。続いて排気ガスがＤＰＦ４を流通することにより、排気ガス中のパティキュレートマター（ＰＭ）がＤＰＦ４に捕捉される。ＥＣＵ１４は尿素水添加システム１０を作動させ、尿素水タンク９内の尿素水を、配管８を介して噴射ノズル７に供給し、ＤＰＦ４から流出した排気ガスに尿素水が噴射ノズル７から供給される。ＤＰＦ４から流出し尿素水を供給された排気ガスは、分散部材２０を通過した後、ＳＣＲ触媒５に流入する。後述する動作により排気ガスが分散部材２０を通過してＳＣＲ触媒５に流入する過程で、供給された尿素水は、排気ガス中に分散されると共に排気ガスの熱等によって加水分解されてアンモニアと二酸化炭素（ＣＯ_２）となる。ＳＣＲ触媒５において、生成したアンモニアと排気ガス中のＮＯｘとが反応して、窒素（Ｎ_２）及び水となる（排気ガスの浄化反応）。ＳＣＲ触媒５において消費されずに残ったアンモニアは、アンモニアスリップ触媒６において酸化される。このようにしてＮＯｘが浄化された排気ガスは、排気管２を流通して大気中へ排気される。

次に、分散部材２０における排気ガスの流通動作について説明する。
尿素水を供給された排気ガスの一部は、中央通路２３や隙間２４を介して分散部材２０を通過する。残りの排気ガスは、羽根２２に衝突する。羽根２２に衝突した排気ガスの一部は、流れ方向を変えられて羽根２２の表面に沿って流れ、中央通路２３や隙間２４を介して分散部材２０を通過する。排気ガスの流れ方向が変えられることで排気ガスの流れを乱すことになるので、排気ガス中に含まれる尿素水が排気ガス中に分散されることとなる。また、羽根２２に衝突した残りの排気ガスは、羽根２２の細孔に入り込み、細孔を通って分散部材２０を通過する。排気ガスがこのような異なる経路で分散部材２０を通過することにより、排気ガスの流れが乱されるので、排気ガス中の尿素水の分散性が向上する。

また、羽根２２に無数の細孔が存在し、排気ガスの一部は細孔を通って羽根２２を通過することもできるので、通常の金属片からなる羽根で製造した同じ構造の分散部材に比べて、排気ガスが分散部材２０を通過しやすくなる、すなわち分散部材２０での圧力損失が小さくなる。このため、通常の金属片からなる羽根で製造した同じ構造の分散部材に比べて、中央通路２３や隙間２４のサイズを小さくすることができるので、羽根２２によって排気ガスの流れを乱す効果が大きくなり、分散部材２０による尿素水の分散効果を向上することができる。その結果、尿素の加水分解によって生じたアンモニアも排気ガス中に良好に分散され、ＳＣＲ触媒５全体に均一にアンモニアが供給されるので、ＳＣＲ触媒５におけるＮＯｘ浄化効率が向上する。

さらに、羽根２２の表面及び内部に加水分解触媒が担持されているので、排気ガスが羽根２２の表面に沿って流れる間、または、羽根２２の細孔中を流れる間に、加水分解触媒の作用により、アンモニアへの尿素の加水分解が促進される。ただし、ディーゼルエンジン１の始動直後のように排気ガスの温度が低い場合には、加水分解触媒が存在しても、尿素の加水分解反応が十分に生じない。このため、温度センサ３５についての下限温度をＥＣＵ１４に予め設定しておき、温度センサ３５による検出値が下限温度よりも低い場合には、ＥＣＵ１４はスイッチ３３をオンにすることにより、バッテリ３０から電熱線３１に給電されて電熱線３１が分散部材２０を加熱する。これにより、排気ガスの温度が低い場合でも、加水分解触媒が活性化されて、尿素の加水分解反応が促進される。その後、温度センサ３５の検出値が下限温度以上となったら、ＥＣＵ１４はスイッチ３３をオフにすることにより、分散部材２０の加熱を停止する。

このように、分散部材２０の羽根２２が粉末合金からなることにより、排気ガスの一部は、羽根２２に存在する複数の細孔を通って分散部材２０を通過することができるので、排気ガスの圧力損失の上昇を抑えながら排気ガスの浄化効率を向上させることができる。

実施の形態１では、ＤＰＦ４をＳＣＲ触媒５と別体にしてＳＣＲ触媒５の上流に設けていたが、この形態に限定するものではない。多孔質性の基材の表面にＰＭを捕集する捕集層をコーティングすると共に基材の細孔内にＳＣＲ触媒成分を担持したものを設けてもよい。この場合は、噴射ノズル７及び分散部材２０は、ＤＰＦ４の上流に設けられる。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係る排気ガス浄化装置の構成を示す。尚、実施の形態２において、図１及び２の参照符号と同一の符号は、同一又は同様な構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
この発明の実施の形態２に係る排気ガス浄化装置は、実施の形態１とは別のタイプの排気ガス浄化装置である。

この実施の形態２に係る排気ガス浄化装置の構成を図３に示す。排気管２に、浄化触媒である酸化触媒４３と、ＤＰＦ４とが設けられている。ディーゼルエンジン１と酸化触媒４３との間には、軽油を供給する供給手段である噴射ノズル４７が設けられており、噴射ノズル４７は、図示しない燃料タンクに連通すると共にＥＣＵ１４に電気的に接続されている。また、排気管２には、ディーゼルエンジン１と酸化触媒４３との間に、排気ガスの温度を検出する温度センサ３５が設けられている。温度センサ３５はＥＣＵ１４に電気的に接続されている。さらに、排気管２には、噴射ノズル４７と酸化触媒４３との間に、分散部材４０が設けられている。分散部材４０は、加水分解触媒ではなく軽油を燃焼させる酸化触媒が担持されていること以外は、実施の形態１の分散部材２０（図２参照）と同じ構成である。また、実施の形態１と同じ構成で、バッテリ３０と電熱線３１と保温部材３２とスイッチ３３とが設けられている。

次に、この実施の形態２に係る排気ガス浄化装置の動作について説明する。
ディーゼルエンジン１の始動後、ディーゼルエンジン１から排出された排気ガスは、排気管２を流通する。排気ガスは、分散部材４０を通過した後、酸化触媒４３に流入する。排気ガスが酸化触媒４３に流入すると、酸化触媒４３において、排気ガス中のＣＯ及びＨＣが酸化される（排気ガスの浄化反応）。続いて排気ガスがＤＰＦ４を流通することにより、排気ガス中のＰＭがＤＰＦ４に捕捉される。このようにしてＣＯ及びＨＣが浄化された排気ガスは、排気管２を流通して大気中へ排気される。

しかしながら、ディーゼルエンジン１の始動直後のように、排気ガスの温度が低く酸化触媒４３の温度が活性化温度よりも低い場合には、上記排気ガスの浄化反応が生じにくくなる。このため、ＥＣＵ１４に、温度センサ３５による検出値に関する下限温度を予め設定しておき、温度センサ３５による検出値が当該下限温度よりも低い場合には、ＥＣＵ１４は、噴射ノズル４７から軽油を排気ガスに供給する。供給された軽油は、排気ガスと共に分散部材４０を通過した後、酸化触媒４３に流入する。実施の形態１と同様の動作で、分散部材４０において軽油が排気ガス中に良好に分散する。また、軽油が良好に分散された排気ガスが酸化触媒に流入すると、酸化触媒４３全体で一様に軽油の燃焼反応が生じ、その反応熱で酸化触媒４３全体が一様に昇温する。また、軽油を含む排気ガスが分散部材４０を通過する過程で、分散部材４０に担持された酸化触媒によっても軽油の燃焼反応が生じ、その反応熱で昇温された排気ガスが酸化触媒４３に流入することによっても、酸化触媒４３が昇温される。酸化触媒４３が昇温されて活性化温度以上になると排気ガスの浄化反応が良好に生じるようになるので、ＥＣＵ１４は、噴射ノズル４７からの軽油の供給を停止する。なお、温度センサ３５による検出値が当該下限温度よりも低い場合には、ＥＣＵ１４はスイッチ３３をオンにすることにより、バッテリ３０から電熱線３１に給電されて電熱線３１が分散部材２０を加熱してもよい。

また、排気ガス中のＰＭは、ＤＰＦ４に捕集されるが、ＥＣＵ１４は、ＤＰＦ４の差圧を検出する等の公知の技術で、ＤＰＦ４に捕集されたＰＭの量が任意の設定値以上になったことを判定すると、噴射ノズル４７から軽油を排気ガスに供給する。供給された軽油は、排気ガスと共に分散部材４０を通過した後、酸化触媒４３に流入する。上述した動作によって軽油が排気ガス中に良好に分散しながら、分散部材４０に担持された酸化触媒と酸化触媒４３とによって燃焼し、排気ガスの温度が上昇する。高温の排気ガスがＤＰＦ４に流入すると、排気ガスの熱により、ＤＰＦ４に捕集されたＰＭが燃焼してＤＰＦ４から除去される。ＥＣＵ１４は、ＤＰＦ４の差圧等からＤＰＦ４に捕集されたＰＭの除去を確認すると、噴射ノズル４７からの軽油の供給を停止する。

このように、ＣＯ及びＨＣを酸化浄化する酸化触媒４３において、必要に応じて軽油を燃焼させることで酸化触媒４３を昇温させる、あるいは、必要に応じて軽油を燃焼させることでＤＰＦ４に捕集されたＰＭを除去する排気ガス浄化装置でも、噴射ノズル４７と酸化触媒４３との間に、粉末合金からなる羽根２２を備えた分散部材４０を設けることにより、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

実施の形態１及び２において、分散部材２０，４０は、円筒形状の本体２１と、本体２１の軸線方向の一方の端部に設けられた略長方形形状を有する板状の８つの羽根２２とからなる構成を有するもの（ただし、羽根２２の個数は任意）、いわゆるスワラータイプの分散部材であったが、この形態に限定するものではない。例えば、特願２０１２−４７１０９号公報に開示された、いわゆるパンチングメタルタイプの分散部材を用い、複数の貫通孔があいた板状部材（本願発明の散乱部に相当）を粉末合金から製造してもよく、または、特願２００９−２４６５４号公報に開示された、いわゆるミキサータイプの分散部材を用い、フィン部（本願発明の散乱部に相当）を粉末合金から製造してもよい。

実施の形態１及び２において、分散部材２０，４０を加熱する加熱手段は、分散部材２０，４０が設けられている箇所の排気管２の外周面の周りに巻きつけられた電熱線３１であったがこの形態に限定するものではない。例えば、化学反応を利用した化学蓄熱システムを用いてもよいし、分散部材２０，４０に直接電流を流すことにより分散部材２０，４０を発熱させる構成のものであってもよい。

実施の形態１では、分散部材２０によって尿素水の排気ガス中への分散を行い、実施の形態２では、分散部材４０によって軽油の排気ガス中への分散を行っていたが、これらの形態に限定するものではない。排気ガスに含まれる任意の成分を浄化するための浄化触媒で使用される還元剤または酸化剤並びにこれらを生成する原材料等の液体物質を排気ガス中に分散させるために、分散部材２０，４０のような構成の分散部材を使用することができる。

１ ディーゼルエンジン（内燃機関）、２ 排気管、５ ＳＣＲ触媒（浄化触媒）、７，４７ 噴射ノズル（供給手段）、２０，４０ 分散部材、２２ 羽根（散乱部）、３１ 電熱線（加熱手段）、４３ 酸化触媒（浄化触媒）。

Claims (5)

1. 内燃機関から排出された排気ガスが流通する排気管と、
   該排気管に設けられた浄化触媒と、
   該浄化触媒の上流に設けられ該浄化触媒に液体物質を供給する供給手段と、
   前記浄化触媒と前記供給手段との間に設けられた分散部材と
   を備え、
   該分散部材の少なくとも一部が粉末合金からなる排気ガス浄化装置。
2. 前記分散部材を加熱する加熱手段を備える、請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
3. 前記分散部材は、前記排気ガスの流れを乱す散乱部を有する、請求項１または２に記載の排気ガス浄化装置。
4. 前記液体物質は尿素水であり、尿素を加水分解する加水分解触媒が前記分散部材に担持されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の排気ガス浄化装置。
5. 前記液体物質は軽油であり、軽油を燃焼させる酸化触媒が前記分散部材に担持されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の排気ガス浄化装置。

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