JP2020090921A - Exhaust emission control device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は還元剤供給装置から供給される還元剤により排気中の窒素酸化物を還元する選択還元型触媒を有する排気浄化装置に関するものである。 The present invention relates to an exhaust emission control device having a selective reduction type catalyst that reduces nitrogen oxides in exhaust gas with a reducing agent supplied from a reducing agent supply device.
選択還元型触媒と、選択還元型触媒に還元剤を添加する添加弁とを備える排気浄化装置が知られている。この排気浄化装置において、選択還元型触媒は、添加弁から添加された還元剤を吸着し、吸着した還元剤により排気中の窒素酸化物(以下「NOx」とも記載する)を還元浄化する。 An exhaust gas purification device is known that includes a selective reduction catalyst and an addition valve that adds a reducing agent to the selective reduction catalyst. In this exhaust gas purification device, the selective reduction catalyst adsorbs the reducing agent added from the addition valve, and reduces and purifies nitrogen oxides (hereinafter also referred to as “NOx”) in the exhaust gas by the adsorbing reducing agent.
選択還元型触媒のガス通路は、一般に、ガス通路を構成する基材に、NOx吸着触媒又はNOx吸着還元型触媒等を含むコート材がコートされて形成されている。例えば、特許文献1には、基材である触媒担体に、NOx吸着触媒層とSCR触媒層とがコートされた選択還元型触媒を有する排気浄化装置が記載されている。特許文献1の選択還元型触媒において、各触媒層のコート量は、上流側から下流側に向けて、SCR触媒層は多くなり、逆に、NOx吸着触媒層は少なくなっている。
The gas passage of the selective reduction catalyst is generally formed by coating a base material forming the gas passage with a coating material containing a NOx adsorption catalyst or a NOx adsorption reduction catalyst. For example,
選択還元型触媒への還元剤の供給の際、還元剤が、蒸発する前の液滴の状態で、コート材に接触する場合がある。この場合、還元剤のせん断力によりコート材が基材から剥離する虞がある。また、コート材に液状の還元剤が付着すると、コート材に含まれる水溶性のバインダが溶けることで、コート材の基材への接着力が低下し、コート材は更に剥離しやすくなる。コート材の剥離は排気浄化装置の浄化性能を低下させると共に、剥離したコート材中の金属製酸化物が排気と共に下流側へ排出する虞があるため、好ましいものではない。 When the reducing agent is supplied to the selective reduction catalyst, the reducing agent may come into contact with the coating material in a droplet state before being evaporated. In this case, the coating material may peel off from the base material due to the shearing force of the reducing agent. Further, when the liquid reducing agent adheres to the coating material, the water-soluble binder contained in the coating material melts, the adhesive strength of the coating material to the base material decreases, and the coating material is more easily peeled off. The peeling of the coating material deteriorates the purification performance of the exhaust gas purification device, and the metal oxide in the peeled coating material may be discharged to the downstream side together with the exhaust gas, which is not preferable.
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、選択還元型触媒におけるコート材の剥離を抑制する技術を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a technique for suppressing peeling of a coating material in a selective reduction catalyst.
本発明の1つの観点において、排気浄化装置が提供される。その排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に配置された選択還元型触媒と還元剤添加弁とを備える。選択還元型触媒は、排気中の窒素酸化物を還元する。還元剤添加弁は、選択還元型触媒に還元剤を供給するための添加弁である。 In one aspect of the present invention, an exhaust emission control device is provided. The exhaust gas purification device includes a selective reduction catalyst and a reducing agent addition valve arranged in an exhaust passage of an internal combustion engine. The selective reduction catalyst reduces nitrogen oxide in exhaust gas. The reducing agent addition valve is an addition valve for supplying the reducing agent to the selective reduction catalyst.
選択還元型触媒内の排気が通過する通路は、基材によって構成されている。基材の表面には、触媒コートが形成されたコート部と、触媒コートが形成されていない未コート部と、が含まれる。ここで、未コート部は、還元剤添加弁から供給される還元剤が液状で到達する範囲を含む位置に形成されている。一方、コート部は、還元剤が液状で到達する範囲の外の位置であって、かつ、未コート部に対し、還元剤添加弁とは反対側の位置に形成されている。 The passage through which the exhaust gas in the selective reduction catalyst passes is made of a base material. The surface of the base material includes a coated portion where the catalyst coat is formed and an uncoated portion where the catalyst coat is not formed. Here, the uncoated portion is formed at a position including a range where the reducing agent supplied from the reducing agent addition valve reaches in a liquid state. On the other hand, the coated portion is formed at a position outside the range where the reducing agent reaches in a liquid state, and at a position opposite to the reducing agent addition valve with respect to the uncoated portion.
本発明の排気浄化装置によれば、選択還元型触媒内の液状の還元剤が届く範囲は、基材に触媒コートによるコートがなされていない。これにより液状の還元剤が直撃することによる触媒コートの剥離を抑制することができる。 According to the exhaust emission control device of the present invention, the base material is not coated with the catalyst coating within the range where the liquid reducing agent reaches the selective reduction catalyst. As a result, the peeling of the catalyst coat due to the direct impact of the liquid reducing agent can be suppressed.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In each drawing, the same or corresponding parts are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be simplified or omitted.
図1は、本発明の実施の形態1のシステムの全体構成を模式的に示す図である。図1に示されるように、本実施の形態のシステムは、エンジン2を有している。エンジン2の気筒の数及びその配列に限定はない。エンジン2は、インジェクタを備えインジェクタから噴射された燃料を気筒内で自己着火させるディーゼルエンジンである。
FIG. 1 is a diagram schematically showing the overall configuration of the system according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the system of this embodiment has an
エンジン2の排気通路4には、DOC(Diesel Oxidation Catalyst)6及びDPF(Diesel Particulate Filter)8が、排気の上流側から順に、隣接して配置されている。DOC6には、排気中の未燃焼ガスであるHC等を酸化処理する酸化触媒が担持されている。DPF8は、排気中の煤等のPM(微粒子成分)を捕集する部材であって、例えば多孔質セラミックで構成されている。
In the
排気通路4のDPF8より下流には、選択還元型触媒であるSCR(Selective Catalytic Reduction)触媒を有する尿素SCRシステムが設置されている。尿素SCRシステムは、SCR触媒10と、SCR触媒10に還元剤を供給する還元剤供給装置20とを含む。
A urea SCR system having an SCR (Selective Catalytic Reduction) catalyst, which is a selective reduction catalyst, is installed downstream of the
還元剤供給装置20は尿素添加弁22を有する。DPF8の下流側、かつ、SCR触媒10の上流側の排気通路4は、排気の流れが略90度変化する曲部4aを有しており、尿素添加弁22は、先端が排気通路4に挿入された状態で、曲部4aに設置されている。尿素添加弁22は、供給配管24を介して尿素水が貯留される還元剤タンク26に接続されている。供給配管24には、圧送ポンプ28が設置されている。尿素添加弁22及び圧送ポンプ28は、制御装置であるECU30に電気的に接続されている。
The reducing
尿素添加弁22は、排気通路4の尿素添加弁22より下流側、即ち、SCR触媒10側に向けて尿素水を噴射する。尿素添加弁22からの尿素水添加は、ECU30によって制御される。尿素水は、アンモニア前駆体であり、尿素水が排気熱により加水分解されることにより、還元剤であるアンモニア(以下「NH3」とも記載する)が生成される。
The
SCR触媒10は、NH3を吸着し、吸着したNH3と排気中の窒素酸化物(以下「NOx」とも記載する)とに、例えば、下記の数1、数2、又は、数3式に示す還元反応を起こさせることにより、排気を還元浄化する。
図2は、SCR触媒10を拡大して表した図である。図2に示されるように、本実施の形態のSCR触媒10は、上流部11と下流部12に分けられる。図3は、図2におけるA−A断面の一部を拡大して表している。図4は図2におけるB−B断面の一部を拡大して表している。つまり、図3は、上流部11の断面の一部、図4は下流部の断面の一部を、それぞれ表している。
FIG. 2 is an enlarged view of the
図3及び図4に示されるように、SCR触媒10は、複数のセル13が格子状又はハニカム形状に配列される形で形成されたモノリス基材(以下、単に「基材」とする)14を有している。図4に示されるように、下流部12のセル13は、基材14の表面にコート材15が接着されて構成されているが、図3に示されるように、上流部11のセル13の基材14の表面はコートされていない。
As shown in FIGS. 3 and 4, the
基材14は、例えば、コージェライト、SiC等のセラミック及びメタルのうちいずれか1以上の材料からなる。コート材15は、ゼオライト等の多孔質体と、その多孔質体の表面に接着された触媒成分と、バインダと、からなる。触媒成分は、NH3とNOxとの還元反応を促進させる触媒であり、例えば、銅、鉄、バナジウム、モリブデン、タングステン等の金属酸化物からなる。バインダは、触媒成分を多孔質体に接着したり、多孔質体を基材14に接着したりするためのものである。なお、SRC触媒10は、フィルタとしての機能を有するものであってもよい。
The
図5は、尿素添加弁22から噴射された尿素水の蒸発割合の時間変化の一例を示す図であり、図6は、尿素添加弁22から噴射された尿素水の液滴が到達する液滴到達距離の時間変化の一例を示す図である。図5に示されるように、尿素水の蒸発割合は時間経過に伴い高くなり、やがて蒸発割合は1となり蒸発が完了する。図5に示される例では、蒸発は時間thにおいて完了する。
5: is a figure which shows an example of the time change of the evaporation rate of the urea water injected from the
図6に示される例では、蒸発が完了する時間thまでに、尿素水の液滴は、Lthにまで到達する。ここで液滴到達距離Lthは、尿素添加弁22からの距離である。尿素添加弁22からSCR触媒10の先端面までの距離をL0とすると、SCR触媒10における液滴到達距離は、Lhとなる。
In the example shown in FIG. 6, the droplet of urea water reaches Lth by the time th when the evaporation is completed. Here, the droplet reach distance Lth is a distance from the
具体的な蒸発割合については、例えば、単位時間当たりの液滴粒径Dから、以下の数4式及び数5式を用いて、蒸発量を計算することで求めることができる。
同様に、具体的なSCR触媒10内における液滴到達距離Lhは、例えば、以下の数6式〜数8式により求めることができる。数6式乃至数8式において、Lthは尿素添加弁22からの液滴到達距離、L0は尿素添加弁の先端からSCR触媒10の尿素添加弁22側の端面までの距離、ρfは液体密度、ρaは雰囲気密度、dnは尿素添加弁の噴孔径、w0は噴霧初速、θは噴霧角、Prは噴射圧、Paは雰囲気圧である。
本実施の形態では、上記の数6式〜数8式を用いて求められた液滴到達距離Lh内の全範囲が、SCR触媒10の上流部11に含まれるように、上流部11と下流部12との境界が設定されている。即ち、上流部11のガス流通方向の長さLfは、少なくとも液滴到達距離Lhより大きくなるように設定されている。これにより下流部12は、少なくとも液滴到達距離Lhの位置よりも下流側に位置するようになる。
In the present embodiment, the
図7は、上記式に従って求められたSCR触媒の端面からの距離と蒸発割合との具体的な関係の一例を示す図である。図7の例では、SCR触媒10の全長は100mmであり、蒸発割合が1、即ち蒸発が完了する液滴到達距離Lhは、約25mm付近である。従って、この例では、例えば、上流部11の長さLfは、触媒全長Lb(=100mm)の枠1/4の長さに設定される。
FIG. 7 is a diagram showing an example of a specific relationship between the distance from the end surface of the SCR catalyst and the evaporation rate obtained according to the above equation. In the example of FIG. 7, the total length of the
図8は、尿素添加弁からの尿素水の噴射状態を説明する図である。また、図9及び図10は、尿素水が添加された場合のSCR触媒の表面の状態を説明する図であり、図9は、SCR触媒10の表面の状態、図10は、比較例として従来のSCR触媒の表面の状態を表す図である。
FIG. 8 is a diagram illustrating the injection state of urea water from the urea addition valve. 9 and 10 are diagrams for explaining the surface state of the SCR catalyst when urea water is added, FIG. 9 is the surface state of the
本実施の形態のように、尿素添加弁22とSCR触媒10との間に、衝突板やミキサーが配置されておらず、また、尿素添加弁22とSCR触媒10との距離が短い構成の場合、尿素添加弁22から噴射された尿素水は、蒸発せずにSCR触媒10の端面及び端面に近い上流部に直撃しやすい。
When the collision plate and the mixer are not arranged between the
しかしながら、本実施の形態では、SCR触媒10の尿素添加弁22の噴射孔に近い側の端面から長さLfの部分は、コート材15が塗布されていない未コート部(即ち、上流部11)である。そして、この長さLfは、SCR触媒10内の液滴到達距離Lhより長い距離に設定されている。従って、図9に示されるように、液滴は、コート材15が塗布されたコート部(即ち、下流部12)に到達する手前で完全に蒸発し、コート材15への液滴の直撃が避けられている。
However, in the present embodiment, the portion of the
一方、従来のようにSCR触媒の基材全面にコート材15が塗布されている構成の場合、図10に示されるように、コート材15に尿素水の液滴が直撃する。このため、直撃のせん断力により、コート材15が剥離する場合がある。また、SCR触媒の表面で、尿素水が液状のまま滞留すると、コート材15に含まれるバインダが尿素水に溶けて、コート材の密着力が低下する。コート材15の密着力が低下した状態で更に、尿素水が直撃すれば、コート材15の剥離はより発生しやすい。
On the other hand, in the case of the conventional structure in which the
以上説明したように、本実施の形態によれば、SCR触媒10の上流部11を、コート材15を塗布しない未コート部とすることで、コート材15の剥離や溶解を抑制することができる。その結果、SCR触媒10の浄化性能を一定レベルに維持することができ、下流側へのコート材15の流出も抑制することができる。
As described above, according to the present embodiment, the
なお、以上の実施の形態では、SCR触媒10の上流側に尿素添加弁22が設置される場合について説明した。しかし、尿素添加弁22はSCR触媒10の下流側に設置されるものであってもよい。図11は、尿素添加弁22がSCR触媒10の下流側に設置されたシステムの構成を示す模式図である。
In the above embodiment, the case where the
この構成例では、排気通路4は、SCR触媒10より排気の流れの下流側に、排気の流れが略90度変化する曲部4bを有している。尿素添加弁22は、この曲部4bに、先端の噴射孔が挿入された状態で配置されている。つまり、尿素水は、排気の流れの下流側から上流側にあるSCR触媒10に向けて噴射される。
In this configuration example, the
この構成では、SCR触媒10の上流部16のセル13は、基材14にコート材15を接着させた構成とし、下流部17のセル13は、基材14のみの構成とする。ここで、下流部17のガス流通方向の長さ(Lb−Lf)は、上述した尿素添加弁22が上流側に設置されている場合の上流部11の長さLfと同様に決定する。つまり、尿素添加弁22からSCR触媒10の下流側の端面までの距離をL0として、SCR触媒10内の下流側の端面を基準とする液滴到達距離Lhを算出し、液滴到達距離Lhよりも、下流部17の長さ(Lb−Lf)が長くなるように、下流部の距離を設定する。これにより、上流側に尿素添加弁22が設置されている場合と同様に、コート材の剥離を回避することができる。
In this configuration, the
なお、以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、この実施の形態において説明する構造等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。 In the above embodiments, when the number of each element, the number, the amount, the range, or the like is referred to, the reference is made unless otherwise specified or in principle specified by the number. The invention is not limited in number. Further, the structure and the like described in this embodiment are not necessarily essential to the present invention, unless otherwise specified or clearly specified in principle.
2 エンジン
4 排気通路
4a、4b 曲部
6 DOC
8 DPF
10 触媒
11 上流部
12 下流部
13 セル
14 基材
15 コート材
16 上流部
17 下流部
20 還元剤供給装置
22 尿素添加弁
24 供給配管
26 還元剤タンク
28 圧送ポンプ
2
8 DPF
10
Claims (1)
前記選択還元型触媒に還元剤を供給するための還元剤添加弁と、
を備え、
前記選択還元型触媒内の排気が通過する通路を構成する基材の表面は、
触媒コートが形成されたコート部と、触媒コートが形成されていない未コート部と、を含み、
前記未コート部は、前記還元剤添加弁から供給される還元剤が液状で到達する範囲を含む位置に形成され、
前記コート部は、前記範囲外の位置であって、かつ、前記未コート部に対し、前記還元剤添加弁とは反対側の位置に形成されている、
ことを特徴とする排気浄化装置。 A selective reduction catalyst arranged in the exhaust passage for reducing nitrogen oxides in the exhaust;
A reducing agent addition valve for supplying a reducing agent to the selective reduction catalyst,
Equipped with
The surface of the base material forming the passage through which the exhaust gas in the selective reduction catalyst passes,
Including a coated portion where the catalyst coat is formed and an uncoated portion where the catalyst coat is not formed,
The uncoated portion is formed at a position including a range where the reducing agent supplied from the reducing agent addition valve reaches in a liquid state,
The coated portion is located outside the range, and is formed at a position opposite to the reducing agent addition valve with respect to the uncoated portion.
An exhaust purification device characterized by the above.
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