JP5458009B2 - 排気後処理システム - Google Patents

Description

本発明は、汚染物質を除去するよう内燃エンジンの排気を処理する装置及び方法に関する。本発明は、特に、ディーゼルエンジンの排気流からＮＯｘ及び粒子状物質を除去する装置及び方法、並びに、そのようなシステムを作動させる装置及び方法に関する。

エンジン排出に関する規制がますます厳しくなっており、過去数年で排気処理装置の使用が増加している。これらの装置は、粒子状物質を捕捉するためのフィルタ（例えばディーゼル排気微粒子フィルタ又はＤＰＦ）と、窒素酸化物（ＮＯｘ）を捕捉して有害物質の含有量が少ないガスに変換するための装置とを備える。既知のように、粒子状物質が装置内に過剰に蓄積することを避けるためには、ＤＰＦ装置の再生が必要である。ＤＰＦを取り外すことなくクリーニングするには、粒子状物質を燃焼させるか、又は酸化させることによってその場でＤＰＦ再生を行うことが好都合である。エンジンを高負荷で動作させる場合、特に、排気流中のＮＯをＮＯ_２に変換することによって粒子状物質のＮＯ_２再生を促進する触媒コーティングがＤＰＦに施されていれば、エンジンからの排気ガスは、十分にＤＰＦ内の粒子状物質を燃焼させられるだけの高温になると思われる。

これより記載する公報には関連技術が開示されており、本明細書は、それらの開示内容を参照により援用する。

Ｃｏｏｐｅｒらによる特許文献１は、粒子状物質を捕捉するための粒子フィルタの上流側に、ＮＯをＮＯ_２に変換するための触媒を備える排気処理機構を開示している。捕捉された粒子状物質とＮＯ_２とを反応及び酸化させることによって、フィルタを捕捉物質が付着していない比較的クリーンな状態に保つことができる。

Ｍｕｒａｃｈｉらによる特許文献２は、ディーゼル排気微粒子フィルタと、ガス流からＮＯｘを吸収するために微粒子フィルタの下流側に設けられたＮＯトラップとを備える装置を開示している。この装置は、ＮＯをＮＯ_２に変換するための触媒と、粒子状物質を捕捉するためのディーゼル排気微粒子フィルタであって、捕捉された粒子状物質を酸化するために微粒子フィルタにＮＯ_２を導入するよう構成されたディーゼル排気微粒子フィルタと、ガス流からＮＯｘを吸収するために微粒子フィルタの下流側に設けられたＮＯトラップとを備える。

Ｐａｔｃｈｅｔｔらによる特許文献３は、還元剤として尿素を使用することによって排気ガス流中のＮＯｘの選択触媒還元（ＳＣＲ）を行うシステムを開示している。この文献には、ガス流中のＮｏｘを還元するための様々な既知の方法の検討が含まれている。

Ａｎｄｒｅａｓｓｏｎらによる特許文献４は、ＮＯｘ及び粒子状物質を排気ガス流から除去する機構であって、ＮＯをＮＯ_２に変換するための酸化触媒と、供給されたＮＯ_２により粒子状物質を酸化させることでＮＯが除去される、酸化触媒の下流側に設置された粒子フィルタと、この粒子フィルタから出たＮＯｘを触媒の存在下でアンモニアと反応させて水及びＮ_２に変換する、粒子フィルタの下流側に設けられたＳＣＲ装置とを有する機構を開示している。

本願と共通の権利者による、Ｋａｒｌｓｓｏｎらによる特許文献５は、エンジンからの排気ガス温度を調節する機構であって、エンジンから排気ガスを受け取るよう接続された酸化触媒と、酸化触媒の下流側のディーゼル排気微粒子フィルタと、排気流内で酸化触媒の上流側に接続されると共に、ディーゼル排気微粒子フィルタからの気流を受け取るよう接続された熱交換器とを有する機構を開示している。ディーゼル排気微粒子フィルタにおいて粒子再生されて加熱された気流を循環させることによって、エンジン排気流を加熱してから酸化触媒に導入する。

米国特許第４，９０２，４８７号 米国特許第５，７４６，９８９号 米国特許第６，６６２，５５３号 米国特許第６，８０５，８４９号 米国特許出願公報第２００６／０１９６１７６号

本発明は、エンジンからの排気ガスを処理する装置であって、エンジンから排気口へ排気ガスを導くための排気管と、排気ガスを受け取るよう排気管内に結合された粒子フィルタと、排気管内において粒子フィルタの上流側に接続された熱源と、粒子フィルタから出る排気ガスを受け取るよう接続されると共に、排気管の熱源及び粒子フィルタの上流に位置する部分を加熱するよう配置された熱交換器とを備える装置に関する。

本発明の一実施形態において、熱交換器は、粒子フィルタと、熱源と、熱源及び粒子フィルタの上流側の排気管部分とを取り囲むパイプを有する。このパイプにより、粒子フィルタから出る排気ガスを受け取り、受け取った排気ガスから粒子フィルタ、熱源及び排気管部分に対して熱交換が行われるよう、排気ガスを案内する。

排気管は、このパイプの下流に更なる部分を有し、これにより、パイプから出る排気ガスが排気口へ案内される。

本発明の代替実施形態において、熱交換器はハウジングを備えており、このハウジングは、エンジンから排気ガスを受け取るための第１吸気口及び熱源の上流側に接続された第１排気口と、粒子フィルタから出る排気ガスを受け取るための第２吸気口及び排気管に接続された第２排気口とを有する。この熱交換器により、第２吸気口に入る排気ガスと第１管に入るガスとの間で接触伝熱が生じる。

代替実施形態の一態様において、熱源及び粒子フィルタが、断熱ジャケットによって包囲される。

更に別の態様では、排気管内において、熱交換器の第１吸気口の上流側及び熱交換器の第１排気口の下流側に、バイパス管が接続される。このバイパス管は弁を有し、この弁を制御することにより、排気ガスを選択的に熱交換器内へ向かわせたり、熱交換器を迂回して排気ガスを流したりできる。

本発明の更に別の態様において、装置が更に、窒素酸化物還元用の触媒装置を備える。この触媒装置は、管内において熱交換器の下流側に接続される。触媒装置の上流側で、噴射器を管に取り付け、排気ガスに還元剤を噴射してもよい。触媒装置を、選択触媒還元装置としてもよい。

本発明の更に別の態様において、装置が更に、窒素酸化物を還元するためのスリップ触媒装置を備える。このスリップ触媒装置は、管内で触媒装置の下流側に接続される。

管内でスリップ触媒装置の下流側に、スリップ触媒を制御するためのアンモニアセンサを設置してもよい。

本発明において、熱源は、ディーゼル酸化触媒装置、燃料源に接続可能なバーナー装置又は電気加熱装置であってよい。

粒子フィルタは、ＮＯをＮＯ_２に変換するための触媒コーティングを有してもよい。代替的に、或いは追加的に、ディーゼル酸化触媒として構成された熱源は、ＮＯをＮＯ_２に変換するための触媒コーティングを有してもよい。更なる代替例として、粒子フィルタ、ＮＯをＮＯ_２に変換するための触媒コーティング及びディーゼル酸化触媒の機能を兼ね備えた単一の装置を作製してもよい。
添付図面に対応した以下の詳細な説明により、本発明について十分な理解が得られるであろう。

向流管内に熱源及び粒子フィルタを有し、粒子フィルタとエンジンから出て粒子フィルタに入る前の排気ガスとに、粒子フィルタから出た排気ガスの熱が伝達される、本発明の第１実施形態を例示する図である。 粒子フィルタの下流側に熱交換器を設置することにより、エンジンから出て粒子フィルタに入る前の排気ガスを、粒子フィルタから出る排気ガスを利用して加熱する、本発明の更なる実施形態を例示する図である。

本発明による装置は、管又はパイプ１０を介してディーゼルエンジン１２に接続されており、エンジン１２から排気ガスを受け取る。この装置は、ディーゼル排気微粒子フィルタ２０（ＤＰＦ）を備え、フィルタ２０により排気流から粒子状物質を捕捉して除去する。

既知のように、内部に粒子状物質が過剰に蓄積しないように、ＤＰＦ装置の再生を行う必要がある。ＤＰＦを取り外すことなくクリーニングを行うには、粒子状物質を燃焼させるか、又は酸化させることによってＤＰＦをその場で再生することが好都合である。エンジンを高負荷で動作させる場合、特に、排気流中のＮＯをＮＯ_２に変換することによって粒子状物質のＮＯ_２再生を促進する触媒コーティングがＤＰＦに施されていれば、エンジンからの排気ガスは、十分にＤＰＦ内の粒子状物質を燃焼させられるだけの高温になると思われる。再生が必要であるが、エンジンからの排気温度がＤＰＦ再生に不十分である場合に、適当な再生温度を維持するために、本発明の一実施形態では、ＤＰＦの上流側に熱源４０を設置し排気ガスを加熱する。なお、熱源は、バーナー加熱装置であっても、電気加熱装置であってもよい。

別の実施形態では、加熱装置の代わりに、熱源要素４０を、排気管内でＤＰＦの上流側に結合されたディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）としてもよい。ＤＯＣは、炭化水素を酸化するための触媒を有してもよい。このとき、炭化水素を排気ガス流内へ噴射するために、ＤＯＣの上流側に、炭化水素（例えばディーゼル燃料）噴射器が設置される。噴射された炭化水素がＤＯＣ内で酸化すると熱が発生し、この熱が排気ガスの温度を上昇させ、ＤＰＦ内に蓄積した粒子状物質の燃焼を促進する。

ＤＯＣを、エンジン排気中のＮＯの一部をＮＯ_２に変換する適宜の触媒コーティングにより構成してもよい。既知のように、ＮＯ_２がＤＰＦ内の粒子状物質と反応し、粒子状物質が酸化することにより、ＤＰＦが再生される。

更に別の実施形態において、ＤＯＣ機能及びＤＰＦ機能を単一の装置に備えてもよい。例えば、ＤＰＦが、ＮＯをＮＯ_２に変換する触媒コーティングを有してもよい。この実施形態では、排気ガス流の温度が、確実に粒子状物質の酸化に十分な高温になるように、上流側に熱源を追加してもよい。この熱源を用いて、粒子状物質を燃焼させることにより、再生をより完全に行うことができる。

本発明の更に別の実施形態において、装置が熱交換器を備え、この熱交換器を用いて、粒子の酸化反応から熱を回収することにより、ＤＯＣ及び／又はＤＰＦに入る排気ガスを加熱してもよい。図１に示す一実施形態では、ＤＯＣ及びＤＰＦを包囲するパイプ５０として熱交換器を設置している。パイプ５０により、ＤＯＣの吸気口及びＤＯＣに通じる排気管部分への向流用に、ＤＰＦから出る排気流を矢印で示すように受け取り逆流させる。包囲パイプ５０により、加熱されたガスをＤＰＥ、ＤＯＣ及び管の閉鎖部分の外面全体に行き渡らせることで、それらの装置が外側から加熱される一方、内側から酸化反応による熱が加わる。その結果、ＤＰＦ内における半径方向の温度勾配がより均一になり、効果的に再生が行われるという利点がもたらされる。

代替的に、図２に示すように、独立型の装置６０として熱交換器を設置してもよい。装置６０は、ＤＯＣ又はＤＰＦの上流側において、ＤＰＦ２０から排気ガスを搬送するパイプ６２に接続されている。ＤＯＣ又はＤＰＦの吸気口の上流において、ＤＰＦから出て熱交換器に入る加熱ガスによりエンジンからの排気ガスを加熱し、再生プロセスから熱を回収することによって、ＤＰＦに入るガス温度を確実に十分な高温とすることができる。

低温でエンジンが始動すると、エンジン排気により熱交換器を加熱することになり、ＤＰＦに到達する前に排気の熱が失われるので、ＤＰＦが通常の作動温度に達するまでの時間が熱交換器により長くなる。この状況を緩和するために、本発明では、熱交換器にバイパス７０を設置する。バイパス７０を低温始動後に開くことにより、排気ガスが熱交換器を迂回し、直接ＤＰＦ（及び／又はＤＯＣ）に達するようにできる。エンジンが通常の作動温度に達すると、バイパスを閉じ、排気ガスが熱交換器を通って流れ、上述の動作を実施することができる。

本発明の別の代替例として、熱交換器６０を、ＤＯＣ及び／又はＮＯｘ触媒としても作動するよう構成する。この実施形態では、熱交換器の低温側、すなわちエンジンから排気ガスを受け取る側の内面に、ＮＯをＮＯ_２に変換するための触媒材料がコーティングされる。代替的に、低温側に、ディーゼル酸化用のコーティングを施してもよい。これらの実施形態により、粒子フィルタ再生のための排気ガス加熱が促進される。このとき、粒子フィルタの排気口から循環するガスを受け取る側である高温側は、ＮＯｘ触媒として構成される。この実施形態において、ＮＯｘ変換装置、ＳＣＲ、又はその他の装置が、尿素噴射器と組み合わせた熱交換器の下流側に設置される。この尿素噴射器は、ＮＯ変換装置の上流側、又は、上述のように触媒コーティングされた熱交換器の上流側に配置される。

図２の実施形態においては、断熱ジャケット８０又はその他の装置を設けてＤＯＣ及びＤＰＦを断熱し、ＤＰＦからの熱損失を防止し、ＤＰＦ温度を粒子状物質の酸化に有効な温度に維持することを助けることが有利である。また、粒子フィルタ２０の排気口から熱交換器６０に排気ガスを搬送するパイプ６２を断熱することも有利である。

次に、図１及び図２の両方を参照されたい。ＤＰＦの下流側にＮＯｘ変換装置３０を設けてもよい。変換装置３０としては、例えば、ゼオライト触媒、希薄ＮＯｘ触媒又は選択触媒還元（ＳＣＲ）装置が含まれる。ＤＰＦの下流側かつＮＯｘ変換装置３０の上流側には、適当に還元剤、炭化水素及び一酸化炭素、尿素又はアンモニアをＮＯｘ変換触媒に噴射するための装置３２が設置される。ＮＯｘ変換装置内で、還元剤がＮＯ及びＮＯ_２と反応し、Ｎ_２及び水に変換される。

任意であるが、ＮＯｘ変換装置３０としてアンモニア又は尿素活性触媒を使用する場合、ＮＯｘ変換装置の下流側にスリップ触媒３４を設置することにより、アンモニアがＮＯｘ変換装置を通過して大気中に放出される前に、アンモニアを変換することができる。

代替的に、ＮＯｘ変換装置の下流側に、アンモニアセンサ３６を設置してもよい。センサ３６は、尿素噴射システムに接続され、アンモニア変換のために噴射する尿素量を制御する。例えば、尿素噴射システムが信号を用いて、残留アンモニアが許容レベル以下になるまで反復制御を行うことにより、尿素噴射量を低下させることができる。

更に別の代替例として、ＮＯｘ変換装置の下流側に、スリップ触媒及びアンモニアセンサの両方を設置してもよい。アンモニアセンサの位置は、スリップ触媒の下流側が有利であろう。この位置にセンサを配置することにより、排気ガスのアンモニア放出レベルを確実に許容範囲内に収めることができる。

以上、好適な実施形態、概念、及び構成要素を例示しながら本発明を説明してきたが、当業者には明らかなように、これらは、等価の措置により代替的に実施されても、本発明の企図を逸脱することなく、添付の特許請求に含まれるものとする。

Claims (10)

1. エンジン排気ガスを処理する装置であって、
   エンジンから排気口へ排気ガスを導くための排気管と、
   前記排気管内に結合された、排気ガスを受け取る粒子フィルタと、
   前記排気管内で前記粒子フィルタの上流側に接続された熱源と、
   前記粒子フィルタから出る排気ガスを受け取るように接続されると共に、前記排気管の前記熱源及び前記粒子フィルタよりも上流に位置する部分と熱交換を行うよう設置された熱交換器とを備え、
   前記熱交換器が、前記粒子フィルタと、前記熱源と、前記排気管の前記熱源及び前記粒子フィルタよりも上流側に位置する部分とを包囲するパイプであって、
   前記粒子フィルタから出る排気ガスを受け取り、受け取った排気ガスから前記粒子フィルタ、前記熱源の外面を介して熱交換が行われるとともに、前記熱源と前記粒子フィルタよりも上流側の前記排気管の部分の外面を介して熱交換が行われるように、排気ガスを案内して流すためのパイプを有する、前記排気管の延長部分である、装置。
2. 前記排気管が、前記パイプから出る排気ガスを排気口へ案内するためのパイプ下流部分を有する、請求項１に記載の装置。
3. 前記排気管内で前記熱交換器の第２排気口の下流側に接続された窒素酸化物還元用の触媒装置を更に備える、請求項１に記載の装置。
4. 前記窒素酸化物還元用の触媒装置の上流側で前記排気管に取り付けられた、排気ガスに還元剤を噴射するための噴射器を更に備える、請求項３に記載の装置。
5. 前記窒素酸化物還元用の触媒装置の下流側で前記排気管に取り付けられたアンモニアセンサを更に備えており、
   該アンモニアセンサは、前記噴射器用の制御装置に接続されて、排気ガス中のアンモニア量に対応する信号を発生する、請求項４に記載の装置。
6. 窒素酸化物を還元するために、前記排気管内で前記触媒装置の下流側に接続されたスリップ触媒装置を更に備える、請求項３に記載の装置。
7. 前記触媒装置が選択触媒還元装置である、請求項３に記載の装置。
8. 前記熱源がディーゼル酸化触媒装置である、請求項１に記載の装置。
9. 前記熱源が、燃料源に接続されたバーナー装置である、請求項１に記載の装置。
10. 前記熱源が電気加熱装置である、請求項１に記載の装置。

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