JP5310851B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
ディーゼルエンジンのような希薄燃焼を実施する内燃機関の排気系には、排気ガス中のＮＯXを浄化するためのＮＯX触媒装置が配置されている。このようなＮＯX触媒装置として、排気ガスと共に供給される尿素を加水分解してアンモニアを発生させ、このアンモニアＮＨ3を還元剤として使用して排気ガス中のＮＯXを選択的に還元浄化する選択還元型ＮＯX触媒装置が公知である。
このような選択還元型ＮＯX触媒装置において、ＮＯXの還元に使用されなかったアンモニアが大気中へ放出されることを抑制するために、選択還元型ＮＯX触媒装置の下流側にアンモニア酸化触媒装置を配置することが提案されている。
しかしながら、このようなアンモニア酸化触媒装置において、比較的低温でアンモニアを酸化すると、一酸化二窒素（又は亜酸化窒素）Ｎ2Ｏが生成されてしまう。Ｎ2Ｏの大気放出は好ましくないために、アンモニア酸化触媒装置を昇温して比較的低温でのアンモニアの酸化を抑制することが提案されている（特許文献１参照）。
特開２００８−２５５８９９号公報
確かに、アンモニア酸化触媒装置を昇温してアンモニアを酸化させれば、Ｎ2Ｏの生成量を低減することができる。しかしながら、アンモニア酸化触媒装置を昇温するためには、燃料又は電気エネルギ等が必要となり、いずれにしても燃料消費を悪化させてしまう。
従って、本発明の目的は、燃料消費の悪化を抑制してＮ2Ｏの生成量を十分に低減可能なアンモニア酸化触媒装置を具備する内燃機関の排気浄化装置を提供することである。
本発明による請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置は、アンモニアを還元剤にする選択還元型ＮＯ X 触媒装置と、前記選択還元型ＮＯ X 触媒装置の下流に配置されているアンモニア酸化触媒装置と、前記選択還元型ＮＯ X 触媒装置と前記アンモニア酸化触媒装置との間の通路のうち前記アンモニア酸化触媒装置の直上流側に配置されたアンモニア保持装置とを具備し、前記アンモニア保持装置は、ゼオライトを有し、前記アンモニア酸化触媒装置の温度がＮ2Ｏ生成温度範囲内である時には、アンモニアを保持して前記アンモニア酸化触媒装置への流入を抑制し、前記アンモニア酸化触媒装置の温度がＮ2Ｏ生成温度範囲外である時には保持したアンモニアを離脱して前記アンモニア酸化触媒装置へ流入させることを特徴とする。
本発明による請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記アンモニア酸化触媒装置はパティキュレートの捕集機能を有することを特徴とする。
本発明による請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、アンモニアを還元剤にする選択還元型ＮＯ X 触媒装置と、選択還元型ＮＯ X 触媒装置の下流に配置されているアンモニア酸化触媒装置と、選択還元型ＮＯ X 触媒装置と前記アンモニア酸化触媒装置との間の通路のうちアンモニア酸化触媒装置の直上流側に配置されたアンモニア保持装置とを具備し、アンモニア保持装置は、ゼオライトを有し、アンモニア酸化触媒装置の温度がＮ2Ｏ生成温度範囲内である時にはアンモニア保持装置がアンモニアを保持してアンモニア酸化触媒装置への流入を抑制するために、アンモニア酸化触媒装置の温度が低くＮ2Ｏ生成温度範囲内である時には、燃料を消費してアンモニア酸化触媒装置を昇温しなくても、多量のアンモニアが酸化されて多量のＮ2Ｏが生成されることはなく、また、アンモニア酸化触媒装置の温度がＮ2Ｏ生成温度範囲外である時にはアンモニア保持装置は保持したアンモニアを離脱してアンモニア酸化触媒装置へ流入させるために、アンモニア酸化触媒装置の温度が高くなってＮ2Ｏ生成温度範囲外となれば、アンモニア保持装置から離脱したアンモニアを多量のＮ2Ｏを生成することなく良好に酸化させることができ、燃料消費の悪化を抑制してＮ2Ｏの生成量を十分に低減することができる。
本発明による請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、アンモニア酸化触媒装置は、パティキュレートの捕集機能を有しており、パティキュレートフィルタを別に配置して捕集パティキュレートを焼失させるためのパティキュレートフィルタの昇温を必要とすることなく、アンモニア酸化触媒装置において捕集されたパティキュレートは、アンモニアを酸化させる際の反応熱により自動的に焼失させることができる。
本発明による内燃機関の排気浄化装置の実施形態を示す概略図である。 パティキュレート捕集機能を有するアンモニア酸化触媒装置の拡大部分縦断面図である。 図２のＡ−Ａ断面図である。 アンモニア酸化触媒装置の温度に対するＮ2Ｏ生成量の変化及びＮＯ生成量の変化を示すグラフである。 ゼオライトの温度に対するアンモニア離脱量の変化を示すグラフである。
図１は本発明による内燃機関の排気浄化装置を示す概略図である。同図において、１はディーゼルエンジン又は筒内噴射式火花点火内燃機関のような希薄燃焼を実施する内燃機関の排気通路である。このような内燃機関の排気ガス中には、比較的多くのＮＯXが含まれるために、排気通路１には、ＮＯXを浄化するためのＮＯX触媒装置２が配置されている。
ＮＯX触媒装置２は、排気ガスと共に供給される尿素を加水分解してアンモニアを発生させ、このアンモニアＮＨ3を還元剤として使用して排気ガス中のＮＯXを選択的に還元浄化する選択還元型ＮＯX触媒装置である。
このような選択還元型ＮＯX触媒装置２が排気通路１に配置される場合において、ＮＯXの還元に使用されなかったアンモニアが大気中へ放出されることを抑制するために、選択還元型ＮＯX触媒装置２の下流側にはアンモニアを酸化させるためのアンモニア酸化触媒装置３が配置される。アンモニア酸化触媒装置３は、例えば、モノリス担体にアルミナにより白金Ｐｔを担持させたものである。
図４は、このようなアンモニア酸化触媒装置によりアンモニアを酸化させた場合のＮ2Ｏ（一酸化二窒素又は亜酸化窒素）生成量とＮＯ生成量とを示すグラフである。図４に示されているように、アンモニア酸化触媒装置３の温度が３５０°Ｃ以下のような比較的低温度である時には、アンモニアが酸化された際に、ＮＯの生成量は顕著に減少し、Ｎ2Ｏの生成量は顕著に増加する。Ｎ2Ｏの大気放出は好ましくない。
本実施形態では、アンモニア酸化触媒装置３の直上流側にアンモニア保持装置４を配置している。図１に示すように、アンモニア保持装置４は、アンモニア酸化触媒装置３と同一ケース内に配置されている。
アンモニア保持装置４は、モノリス担体にアンモニアを保持するための固体酸を設けたものであり、例えば、モノリス担体に固体酸としてゼオライト層を形成したものである。また、ゼオライトをモノリス状としたものでも良い。
図５は、ゼオライトの温度に対するアンモニア離脱量の変化を示すグラフであり、ゼオライトのような固体酸は、温度が３５０°Ｃ以下の時にはアンモニアを良好に保持し、温度が３５０°Ｃを超えると、保持したアンモニアを離脱する。
それにより、ゼオライト層が設けられたアンモニア保持装置４がアンモニア酸化触媒装置３の直上流側に配置されていれば、アンモニア保持装置４の温度は、アンモニア酸化触媒装置３の温度とほぼ同一となり、アンモニア酸化触媒装置３の温度がＮ2Ｏ生成温度範囲内（例えば３５０°Ｃ以下の場合）にある時には、アンモニア保持装置４は、選択還元型ＮＯX触媒装置２から流出するアンモニアを良好に保持し、アンモニアがアンモニア酸化触媒装置３へ流入することを十分に抑制することができる。
また、アンモニア酸化触媒装置３の温度がＮ2Ｏ生成温度範囲外（例えば３５０°Ｃを超える場合）にある時には、アンモニア保持装置４は、保持したアンモニアを離脱してアンモニア酸化触媒装置３へ流入させるが、アンモニアはアンモニア酸化触媒装置３において酸化される際に、Ｎ2ＯではなくＮＯ又はＮ2が生成され易くなっている。こうして、特にアンモニア酸化触媒装置３を昇温することなく、アンモニアを酸化させる際のＮ2Ｏの生成量を十分に低減することができる。
アンモニア保持装置４は、ゼオライトに限定されることなく、任意の個体酸を有していれば、Ｎ2Ｏ生成温度範囲内においてアンモニアを保持し、Ｎ2Ｏ生成温度範囲外においてアンモニアを離脱させることができ、例えば、チタニア、ジルコニア、又は、シリカのような固体酸をアルミナによりモノリス担体に担持させるものとしても良い。
ところで、ディーゼルエンジンの排気ガス中にはパティキュレートが含まれており、排気通路１には、パティキュレートの大気放出を抑制するためのパティキュレートフィルタが設けられることがある。それにより、アンモニア酸化触媒装置３をパティキュレートフィルタとしても機能させるようにしても良い。図２は、パティキュレート捕集機能を有するアンモニア酸化触媒装置３の拡大部分縦断面図であり、図３は図２のＡ−Ａ断面図である。
図２及び図３に示すように、アンモニア酸化触媒装置３の担体を、コージライトのような多孔質材料から形成して、多数の軸線方向に延在する隔壁３１によって細分された多数の軸線方向空間を有するようにする。隣接する二つの軸線方向空間において、栓３３によって、一方は排気下流側で閉鎖され、他方は排気上流側で閉鎖される。こうして、隣接する二つの軸線方向空間の一方は排気ガスの流入通路３３となり、他方は流出通路３４となり、排気ガスは、図２に矢印で示すように、必ず隔壁３１を通過するようになる。排気ガス中のパティキュレートは、隔壁３１の細孔の大きさに比較して非常に小さいものであるが、隔壁３１の排気上流側表面及び隔壁５４内の細孔表面上に衝突して捕集される。こうして、各隔壁３１は、パティキュレートを捕集する捕集壁として機能させることができる。各隔壁３１の両側表面上には、アルミナ等を使用して酸化触媒としての白金Ｐｔを担持させる。
このように、アンモニア酸化触媒装置３をパティキュレートフィルタとしても機能させれば、隔壁３１に捕集されたパティキュレートは、アンモニアを酸化させる際の反応熱により自動的に焼失させることができる。それにより、パティキュレートフィルタを排気通路に別に配置する場合に比較して排気浄化装置のコストを低減することができるだけでなく、捕集パティキュレートを焼失させるために、例えば、パティキュレートフィルタに酸化触媒を配置して燃料を供給するようなことも必要ない。
１ 排気通路
２ ＮＯX触媒装置
３ アンモニア酸化触媒装置
４ アンモニア保持装置

Claims (2)

  1. アンモニアを還元剤にする選択還元型ＮＯ X 触媒装置と、
    前記選択還元型ＮＯ X 触媒装置の下流に配置されているアンモニア酸化触媒装置と、
    前記選択還元型ＮＯ X 触媒装置と前記アンモニア酸化触媒装置との間の通路のうち前記アンモニア酸化触媒装置の直上流側に配置されたアンモニア保持装置とを具備し、
    前記アンモニア保持装置は、ゼオライトを有し、前記アンモニア酸化触媒装置の温度がＮ2Ｏ生成温度範囲内である時には、アンモニアを保持して前記アンモニア酸化触媒装置への流入を抑制し、前記アンモニア酸化触媒装置の温度がＮ2Ｏ生成温度範囲外である時には保持したアンモニアを離脱して前記アンモニア酸化触媒装置へ流入させることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
  2. 前記アンモニア酸化触媒装置はパティキュレートの捕集機能を有することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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