JP2015513634A - エンジン排ガスから有害化合物を除去するための方法及びシステム - Google Patents

エンジン排ガスから有害化合物を除去するための方法及びシステム Download PDF

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Abstract

リーンバーンエンジン由来の有害化合物を除去するための方法及びシステムであって、該方法は次の連続した工程、すなわち、排ガスを、揮発性有機化合物、及び一酸化炭素の酸化に活性な触媒と接触させる工程；処理された排ガスを、第一のＳＣＲ触媒で触媒化されている微粒子捕集フィルターに通過させる工程；及び該微粒子捕集フィルターを出る該排ガスを第二のＳＣＲ触媒に通過させる工程を含み、その際、前記触媒化されている微粒子捕集フィルターの上流における排ガス中に約２２０℃以下の温度でアンモニアが投入され、そしてその際、前記第一及び第二のＳＣＲ触媒の間におけるガス中に、そのガスが約２００℃の温度に到達後、尿素が投入される。

Description

本発明は、リーンバーン内部圧縮点火エンジンからの排ガス中に存在する窒素酸化物（ＮＯｘ）及び粒状物質の放出を低減するための方法及びシステムに関する。より詳細には、本発明の方法及びシステムは、エンジンの低温始動の間の改善されたＮＯｘの還元を提供する。
リーンバーンエンジンの最新の自動車の排気システムには、酸化触媒、微粒子捕集フィルター及び還元剤の存在下でＮＯｘを選択的に還元するための触媒（ＳＣＲ）が設けられている。
揮発性の有機化合物、及び一酸化炭素の酸化に活性な酸化触媒、及びＳＣＲ触媒は当該技術分野で公知であり、また、多数の文献に開示されている。
典型的に用いられている微粒子捕集フィルターは、複数のインレットチャンネル及びアウトレットチャンネルを有する、いわゆるウォールフロー型フィルターである。インレットチャンネルは、それらのアウトレットにおいて閉じられており、そして、アウトレットチャンネルは、それらのインレットにおいて閉じられているため、フィルター中に流れるガスは、チャンネルを画定する多孔質の壁部を強制的に通過し、それにより、粒状物質がガスからろ別される。
ＳＣＲ処理では、還元剤としてアンモニアが共通して用いられている。アンモニアは有害化合物であるため、ＳＣＲ触媒の上流の高温の排ガス中にアンモニアの前駆体として投入される尿素溶液の熱分解によってその場で（ｉｎ ｓｉｔｕ）アンモニアを生成するのが好ましい。
国際公開第２００６／０１２９０３号パンフレット
尿素が無害であり、そしてそれを自動車に搭載して貯蔵するのが比較的容易である場合でさえも、アンモニア還元剤の前駆体としての尿素の液状溶液は、特に、エンジンの低温始動段階、すなわち、排ガス温度が２００℃未満の時には問題となる。
排ガス中に液状溶液として投入する場合、約２００℃の温度からしか、ＳＣＲに十分な量で尿素はアンモニアに分解しない。
本発明は、ＳＣＲ触媒化されたフィルターを、リーンバーンエンジンからの排ガス中に、該エンジンの低温始動段階の間に、排ガスの温度が２２０℃未満及び第二のＳＣＲ触媒の時に、低温でアンモニア還元剤を投入することと組み合わせることを利用することに基づき、その際、必要な還元剤は、該低温始動段階後の約２００℃超の温度で排ガス中に導入された尿素の分解によって形成される。それにより、全走行サイクルにおけるエンジン排ガス中、９９％超のＮＯｘ還元率を得ることが可能となる。
それ故、本発明は、リーンバーン内部圧縮点火エンジンの排ガス由来の有害化合物を除去する方法を提供するものであり、該方法は、次の連続する工程、すなわち、
該排ガスを、揮発性有機化合物、及び一酸化炭素を二酸化炭素に、かつ、水及び窒素酸化物を二酸化窒素に酸化するのに活性な触媒と接触させる工程；
そのように処理された排ガスを、窒素酸化物の選択的還元のための第一のＳＣＲ触媒で触媒化されている微粒子捕集フィルターに通過させる工程；及び
該フィルターを出る該排ガスを、窒素酸化物の選択的還元のための第二のＳＣＲ触媒に通過させる工程、
を含み、その際、該エンジンの低温始動段階の間、前記触媒化されている微粒子捕集フィルターの上流において、排ガスが約２２０℃以下の温度を有する時に、その排ガス中にアンモニア還元剤が投入され、そしてその際、アンモニアの投入が中断され、そして前記第一及び第二のＳＣＲ触媒の間におけるガス中に、そのガスが約２００℃の温度に到達後、該アンモニア還元剤の前駆体としての尿素が投入される。
本発明による方法の利点とは、アンモニアが非常に低い混合度合いを有し、そして、アンモニアの投入によって、酸化触媒（ＤＯＣ）及びＳＣＲ触媒化フィルター（ＳＣＲ／ＤＰＦ）を、密に結合した位置づけに配置することが可能となることである。小さい体積のＤＯＣ及びＳＣＲ／ＤＰＦを一緒に密に結合した位置づけにより、これらのユニットを急速に加熱することが容易になるため、低温始動後早い段階で十分な触媒活性が得られる。ＤＯＣは、低温始動段階の初期に、排ガス中のＮＯからＮＯ２を生成させ、そして、密に結合したフィルターＳＣＲ／ＤＰＦは、ＮＯ２と共に受動的に煤を再生する温度条件を有する。
アンモニアの投入は、１６０℃からの排ガス温度で開始できる。２００℃未満の温度では、ＤＯＣを通過する時にアンモニアは実質的に未転化されたままである。
そのため、本発明の実施形態では、アンモニアは、ＤＯＣと接触する前に排ガス中に投入される。
あるいはまた、ＤＯＣとＳＣＲ／ＤＰＦとの間でアンモニアを投入することができる。
アンモニアは、それ自体を容器中で搭載して貯蔵することができるか、又は好ましくは、固体のアンモニア貯蔵材料から、例えば、熱分解を利用して遊離させることができる。固体のアンモニア貯蔵材料、例えば、金属アミン塩又はアンモニウム化合物は、例えば、国際公開第２００６／０１２９０３号パンフレット（特許文献１）において知られている。
アンモニアの投入は、排ガス温度が約２２０℃の時に中断され、そして、触媒化フィルターを出る排ガス中への尿素の投入は、約２００℃で開始される。
このことは、限られた量の貯蔵アンモニアだけが、低温始動段階の間の全ＮＯｘ還元に必要であることを示している。主要な走行サイクルにおいて、排ガスが２２０℃超の時、ＳＣＲ／ＤＰＦ及び第二のＳＣＲの間で高温の排ガス中に投入される尿素溶液の分解によってアンモニアが形成される。
２００℃超では、排ガス中のＮＯは、ＤＯＣとの接触によりＮＯからＮＯ２に酸化される。生成したＮＯ２は、ＤＰＦの受動的生成で使用される。そのため、２２０℃の温度より上では、生成したＮＯ２の全量を、例外なく、フィルターの受動的な煤の再生に使用することができる。
最新の低煤排出エンジンを用いることにより、受動的な煤の再生を当てにすることができ、そして第二のＳＣＲ触媒への最大インレットの温度を、５５０℃未満に維持することができる。このことは、第二のＳＣＲ触媒が、より安価なバナジウム触媒化合物又はゼオライト触媒化合物から選択できることを暗示している。
本発明による方法のさらなる利点とは、主要な走行サイクルの間の排ガス中にアンモニアが存在せず、かつ、ＳＣＲ／ＤＰＦのＳＣＲ作用が中断されるため、受動的再生がより効率できある、ということである。
少量のアンモニアは、第二のＳＣＲからの排ガス中に存在する場合がある。そのために、第二のＳＣＲからの排ガスを、その第二のＳＣＲの下流の選択的アンモニア酸化触媒に通過させるのが好ましい。その選択的アンモニア酸化触媒は、アンモニアを窒素に転化する。
本発明はさらに、本発明による方法で使用するためのシステムも提供する。
システムは、エンジンに接続されたエンジン排ガスチャンネル内に連続して配置された、
揮発性有機化合物、及び一酸化炭素を二酸化炭素に、及び水及び窒素酸化物を二酸化窒素に酸化するための、酸化触媒ユニット；
窒素酸化物を選択的に還元するための第一の触媒を含む、微粒子捕集フィルター；
窒素酸化物を選択的に還元するための、第二の触媒ユニット；
該微粒子捕集フィルターの上流の、該エンジン排ガスチャンネル中にアンモニアを投入するための投入手段；及び
該微粒子捕集フィルター及び窒素酸化物を選択的に還元するための第二の触媒の間の、該エンジン排ガスチャンネル中に尿素を投入するための投入手段、
を含む。
本発明の実施形態において、アンモニアを投入するための投入手段は、エンジン及び酸化触媒ユニットの間に配置される。
さらなる実施形態では、アンモニアを投入するための投入手段は、固体のアンモニア貯蔵材料を保持する容器に接続される。
ＤＯＣ及びＳＣＲ／ＤＰＦが、密に結合した位置づけで配置される場合、温度損失は限られており、これにより、ＤＯＣにわたってより高い温度及び増大したＮＯ２の生成、並びにフィルター中のより高い温度が容易になるため、改善した受動的な煤の再生が可能となる。
ＳＣＲ触媒中で転化されなかった少量のアンモニアを除去するためには、第二のＳＣＲユニットの下流にアンモニアスリップ触媒を配置するのが好ましい。
それ故、システムは、次の構成のうちの一つを有することになる。
エンジン→ｃｃＤＯＣ→ＮＨ３（＜２２０℃）→ｃｃＳＣＲ／ＤＰＦ→尿素（＞２００℃）→第二のＳＣＲ→ＡＳＣ
あるいはまた、
エンジン→ＮＨ３（＜２２０℃）→ｃｃＤＯＣ→ｃｃＳＣＲ／ＤＰＦ→尿素（＞２００℃）→主要ＳＣＲ→ＡＳＣ
前記ですでに言及したように、本発明の使用に適した触媒は従来知られており、そのため、本発明の一部ではない。
好ましくは、本発明の方法及びシステムで使用されるフィルターに統合される第一のＳＣＲ触媒は、熱安定性の銅及び／又は鉄促進ゼオライトか、又はシリカアルミナホスフェート化合物をベースとする。
本発明の方法及びシステムで使用される第二のＳＣＲ触媒は、好ましくは、チタニア上のバナジウム、銅及び／又は鉄促進ゼオライト、銅及び／又は鉄促進シリカアルミナホスフェート、任意に酸化セリウムと組み合わせたジルコニウム、及び酸化アルミニウムから選択される。

Claims (10)

  1. リーンバーン内部圧縮点火エンジンの排ガスから有害化合物を除去する方法であって、次の連続した工程、すなわち、
    該排ガスを、揮発性有機化合物、及び一酸化炭素を二酸化炭素に、かつ、水及び窒素酸化物を二酸化窒素に酸化するのに活性な触媒と接触させる工程；
    そのように処理された排ガスを、窒素酸化物の選択的還元のための第一のＳＣＲ触媒で触媒化されている微粒子捕集フィルターに通過させる工程；及び
    該フィルターを出る該排ガスを、窒素酸化物の選択的還元のための第二のＳＣＲ触媒に通過させる工程、
    を含み、その際、該エンジンの低温始動段階の間、前記触媒化されている微粒子捕集フィルターの上流において、排ガスが約２２０℃以下の温度を有する時に、その排ガス中にアンモニア還元剤が投入され、そしてその際、アンモニアの投入が中断され、そして前記第一及び第二のＳＣＲ触媒の間におけるガス中に、そのガスが約２００℃の温度に到達後、該アンモニア還元剤の前駆体としての尿素が投入される、上記の方法。
  2. 前記アンモニア還元剤が、前記酸化触媒との接触前に前記排ガス中に投入される、請求項１に記載の方法。
  3. 前記アンモニア還元剤が、前記酸化触媒及び前記ＳＣＲ触媒化微粒子捕集フィルターの間の排ガス中に投入される、請求項１に記載の方法。
  4. 前記アンモニア還元剤が、前記排ガス中への投入前に、アンモニア吸収剤から放出される、請求項１〜３のいずれか一つに記載の方法。
  5. 前記第二のＳＣＲ触媒の下流でアンモニアを選択的に酸化するために、前記排ガスを、さらにアンモニア酸化触媒に通過させる、請求項１〜４のいずれか一つに記載の方法。
  6. エンジンに接続されたエンジン排ガスチャンネル内に連続して配置された、
    揮発性有機化合物、及び一酸化炭素を二酸化炭素に、及び水及び窒素酸化物を二酸化窒素に酸化するための、酸化触媒ユニット；
    窒素酸化物を選択的に還元するための第一の触媒を含む、微粒子捕集フィルター；
    窒素酸化物を選択的に還元するための、第二の触媒ユニット；
    該微粒子捕集フィルターの上流の、該エンジン排ガスチャンネル中にアンモニアを投入するための投入手段；及び
    前記微粒子捕集フィルター及び窒素酸化物を選択的に還元するための前記第二の触媒の間の、前記エンジン排ガスチャンネル中に尿素を投入するための投入手段、
    を含む、請求項１に記載の方法に使用するためのシステム。
  7. 前記アンモニアを投入するための投入手段が、前記エンジン及び前記酸化触媒ユニットの間に配置される、請求項６に記載のシステム。
  8. 前記アンモニアを投入するための投入手段が、固体アンモニア貯蔵材料を保持する容器への接続器である、請求項６又は７に記載のシステム。
  9. 前記酸化触媒ユニット及び窒素酸化物を選択的に還元するための第一の触媒を含む前記微粒子捕集フィルターが、密に結合した位置づけに配置される、請求項６〜８のいずれか一つに記載のシステム。
  10. 窒素酸化物を選択的に還元するための前記第二の触媒ユニットの下流で、アンモニアを窒素に選択的に酸化するための触媒ユニットがさらに設けられる、請求項１〜９のいずれか一つに記載のシステム。
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