JP5609175B2 - 排気ガス浄化方法及びその装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両の排気管にＤＯＣ、ＤＰＦ、ＳＣＲを順次接続してディーゼルエンジンの排気ガスを浄化する排気ガス浄化方法に係り、特に排気ガス中のＰＭを捕集するＤＰＦでのＰＭの燃焼性向上できる排気ガス浄化方法及びその装置に関するものである。

ディーゼルエンジンをはじめとする内燃機関から排出される排出物、とりわけＰＭ（パティキュレートマター）と呼ばれる粒子状物質を捕集する技術として一般的にＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）が知られている。

このＤＰＦを排気管に組み込んだ従来の排気ガス浄化装置を図６により説明する。

図６において、ディーゼルエンジン８の排気マニホールド９に排気管１が接続され、その排気管１には、ＤＯＣ（ディーゼル用酸化触媒）２、ＤＰＦ３、ＳＣＲ（尿素選択式還元触媒）４が順次接続されて排気ガス浄化装置が構成される。

排気ガスは、ＤＯＣ２で、排気ガス中のＣＯが、酸化されると共にＰＭの一部が酸化され、排気ガス中の未燃のＨＣ（炭化水素）が燃焼される。

ＤＰＦ３は、セラミックのハニカム細孔などのフィルタで構成され、ＤＯＣ２で酸化除去できなかったＰＭ粒子を捕集する。またＳＣＲ４はその上流側で、尿素タンク６からの尿素水５がポンプを介して噴射ノズル７より噴射され、その尿素水５が熱分解してアンモニアが生成され、そのアンモニアとＮＯｘとをＳＣＲ４の触媒上で反応させることで脱硝する。

ところで、ＤＰＦ３は、捕集したＰＭが目詰まりの原因となるため、適宜エンジン側で燃料噴射などによって高温燃焼させて排気ガス温度を６００〜８００℃まで昇温させ、ＤＰＦ３に捕集堆積したＰＭを定期的に燃焼させ、除去して強制再生している。

このＰＭは、図４（ａ）に示すように、主に炭素から構成されるＳＯＯＴ（煤）と、主に未燃Ｈｙｄｒｏ−Ｃａｒｂｏｎ（ＨＣ：炭化水素）から成るＳＯＦ（有機溶剤可溶分）との大きく２成分より構成される。

ＤＰＦ３の再生時にＰＭを燃焼させる際、図４（ｂ）に示すようにこの２成分の燃焼温度は異なり、ＳＯＯＴは、５００〜６００℃で燃焼するのに対してＳＯＦは２００〜３００℃で燃焼する。

再生時には、より燃焼温度の高いＳＯＯＴが燃焼する温度まで昇温させる必要があり、６００〜８００℃まで昇温させて反応・除去させている。

特開２０００−２７６２７号公報 特開２００７−８３２２３号公報

しかしながら、通常の運転条件においてＤＰＦの温度が６００〜８００℃になることはなく、ＤＰＦ昇温のために多くの燃料を消費しており、燃費の面からは好ましくないという問題がある。

また、ＳＣＲ４でＮＯｘを還元除去する還元剤としての尿素水は、その凍結温度が−１１℃であり、寒冷地での使用時における尿素水の凍結を防止する対策が必要である。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、排気ガス中のＰＭをＤＰＦで捕集する際に、そのＰＭ量を低減でき、しかも同時に尿素水の凍結を防止でき、強制再生時の燃料噴射分の燃費を向上させることができるＰＭの燃焼性向上できる排気ガス浄化方法及びその装置を提供することにある。

上記目的を達成すべく請求項１の発明は、ディーゼルエンジンの排気管に、ＳＣＲを接続すると共に、そのＳＣＲの上流側で尿素水を噴射して排気ガスを浄化するディーゼル排気ガス処理方法において、尿素水に排気ガス中で発火燃焼する助燃剤を添加してＮＯｘ還元剤とし、そのＮＯｘ還元剤を噴射するに際し、尿素水の凍結温度以下のとき尿素水に助燃剤を添加してＮＯｘ還元剤とし、尿素水の凍結温度より高いとき尿素水と助燃剤とを噴射直前で混合してＮＯｘ還元剤として噴射することを特徴とする排気ガス浄化方法である。

請求項２の発明は、ディーゼルエンジンの排気管に、ＤＯＣ，ＤＰＦ，ＳＣＲが順次接続され、尿素水をＮＯｘ還元剤として噴射し、その下流側のＳＣＲでＮＯｘを尿素水の熱分解で生じたアンモニアで脱硝し、ＤＰＦの強制再生時に、そのＤＰＦに堆積したＰＭを除去すべく、尿素水と共に助燃剤をＤＰＦの上流側で噴射し、その助燃剤の燃焼でＤＰＦを再生する請求項１記載の排気ガス浄化方法である。

請求項３の発明は、前記助燃剤がアルコール類である請求項１又は２に記載の排気ガス浄化方法である。

請求項４の発明は、ディーゼルエンジンの排気管に、ＳＣＲを接続すると共に、そのＳＣＲの上流側で尿素水を噴射して排気ガスを浄化処理するディーゼル排気ガス処理装置において、排気ガス中で発火燃焼する助燃剤を収容する手段と、尿素水を収容する手段と、助燃剤を収容する手段から尿素水を収容する手段へ助燃剤を供給できるように備えられたラインと、前記ラインに接続され、前記ラインから助燃剤を尿素水に添加してＮＯｘ還元剤とするためのバルブと、ＮＯｘ還元剤を噴射する噴射ノズルとを備えたことを特徴とする排気ガス浄化装置である。

請求項５の発明は、ディーゼルエンジンの排気管に、ＤＯＣ，ＤＰＦ，ＳＣＲが順次接続され、前記噴射ノズルが、ＤＰＦの上流側に設けられ、その噴射ノズルのＮＯｘ還元剤供給ラインに、ＤＰＦ強制再生時に、排ガス中で発火燃焼する助燃剤を供給する助燃剤供給ラインが接続される請求項４記載の排気ガス浄化装置である。

本発明によれば、排気ガス中のＰＭをＤＰＦで捕集する際に、そのＰＭ量を低減でき、しかも同時に尿素水の凍結を防止でき、強制再生時の燃料噴射分の燃費を向上させることができる。

本発明の一実施の形態を示す概略図である。 本発明の他の実施の形態を示す概略図である。 本発明のさらに他の実施の形態を示す概略図である。 （ａ）はＰＭの模式図、（ｂ）はＰＭの熱分析（ＤＴＡ）測定チャートを示す図である。 ＰＭ及び種々の助燃剤の熱分析（ＤＴＡ）測定チャートを示す図である。 従来のディーゼルエンジン排気系を示す概略図である。

以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１は本発明の一実施の形態を示したもので、ディーゼルエンジンの排気ガスを排気する排気管１に、その上流側からＤＯＣ２、ＤＰＦ３、ＳＣＲ４の順に接続されて排気ガス浄化装置が構成される。

図１の実施の形態においては、尿素水に発火点が２００〜６００℃の助燃剤を混合してこれを還元剤１０とし、この還元剤１０をＮＯｘ還元剤供給ライン１１を通して、ＤＰＦ３の入口側に設けた噴射ノズル７から噴射するようにしたものである。

尿素水としては、濃度３２．５％の尿素水を用いる。

助燃剤としては、発火点が２００〜６００℃のものであれば特に限定されないが、アルコール類が好ましい。このアルコール類としては、１−オクタノール、１−ヘプタノール、１−ヘキサノール、ｓ−アミルアルコール、メタノール、１−プロパノール、１−オクタデカノール、フルフリルアルコール、エチレングリコール、ポリビニルアルコール等の各種アルコールが挙げられ、これらのうちいずれか１つ以上／数種を併用して助燃剤として用いることができる。

次に本実施の形態の作用を説明する。

尿素水と助燃剤は、図６で説明した還元剤タンク内に予め混合して収容し、ＮＯｘ還元剤供給ライン１１を通して、ＤＰＦ３の入口側に設けた噴射ノズル７から噴射する。

この際、尿素水にアルコール類からなる助燃剤を添加しているため、尿素水の凝固点を降下させることができ、寒冷地での尿素水の凍結を防止することが可能となる。

尿素水と助燃剤とを混合した還元剤１０をＤＰＦ３の入口側に設けた噴射ノズル７から噴射することで、ＤＰＦ３内でのＰＭ中のＳＯＦの燃焼により、助燃剤が発火燃焼することで、その燃焼温度が５００℃以上となり、この助燃剤の燃焼でＤＰＦ３に堆積したＰＭの一部を酸化燃焼させることができ、ＤＰＦ３に堆積するＰＭ量を低減することが可能となる。

また、尿素水は、加水分解してアンモニアが生成し、後段のＳＣＲ４で排気ガス中のＮＯｘとアンモニアを反応させて脱硝する。

図５は、図４（ｂ）で説明したＳＯＦ燃焼とＳＯＯＴ燃焼の熱分析測定チャートに発火点が３００〜５５０℃の種々の物質（助燃剤）の熱分析測定チャートを重ねて示したものである。

すなわち、図５に破線で示すように、ＳＯＦの発熱ピークとＳＯＯＴの発熱ピークとの間に、発熱ピークの異なる複数の助燃剤の熱分析測定チャートを重ねて示したものである。

この図５の熱分析測定チャートより、排気ガス温度が２００〜３００℃でＳＯＦが燃焼し、その燃焼で助燃剤が燃焼して燃焼レスポンス信号強度が高まり、連鎖的にＳＯＯＴを燃焼させることができることがわかる。

次に、本発明の他の実施の形態を図２に基づいて説明する。

図１の実施の形態では、尿素水と助燃剤とを予め混合して還元剤１０とする例で説明したが、図２の実施の形態では、尿素水の凍結の恐れがない場所では、尿素水に常時助燃剤を混合しておく必要はないため、ＤＰＦ３の強制再生を行う時のみ、尿素水と助燃剤を混合し、排気ガス中に噴射するものである。

図２に示すように、尿素水１２は、尿素水供給ライン１３を通して、ＮＯｘ還元剤供給ライン１１を通って噴射ノズル７からＤＰＦ３の上流側に噴射されるようになし、助燃剤１４は、助燃剤供給ライン１５からバルブ１５ａを介して適宜ＮＯｘ還元剤供給ライン１１に供給できるようになっている。

この実施の形態においては、排気ガス中のＮＯｘを脱硝する際には、尿素水１２は、尿素水供給ライン１３を通して、ＮＯｘ還元剤供給ライン１１を通って噴射ノズル７から噴射するようにする。

ＤＰＦ３の強制再生を行う際には、バルブ１５ａを開いて、助燃剤１４を、助燃剤供給ライン１５から、尿素水１２と共にＮＯｘ還元剤供給ライン１１を通って噴射ノズル７から噴射するようにする。

図１の実施の形態においては、尿素水１２と助燃剤１４とを予め混合しておき、これを還元剤１０として、ＤＰＦ３の上流側に噴射するものであり、その噴射量はごく僅かとなるが、本実施の形態では、ＤＰＦ３に堆積したＰＭを燃焼させるのに必要な、助燃剤１４を適宜噴射することができるため、従来の燃料噴射の増量で排気ガス温度を上げて強制再生するのと比べて、効率のよい強制再生を行うことができる。

図３は、本発明のさらに他の実施の形態を示したものである。

この図３の実施の形態は、尿素水１２に凍結の恐れがある時期は、尿素水１２に常時助燃剤１４を混合させ、暖かい時期はＤＰＦ３の強制再生を行う時のみ、助燃剤１４を尿素水１２と共に噴射するようにしたものである。

図３に示すように、尿素水１２は、尿素水供給ライン１３を通して、ＮＯｘ還元剤供給ライン１１を通って噴射ノズル７からＤＰＦ３の上流側に噴射されるようになし、助燃剤１４は、助燃剤供給ライン１５からバルブ１５ａを介して適宜ＮＯｘ還元剤供給ライン１１に供給できるようにされ、その上で、助燃剤１４を尿素水１２へ供給する尿素水凍結防止ライン１６がバルブ１６ａを介して接続されて構成される。

この実施の形態においては、尿素水１２に凍結の恐れがある時期には、この尿素水凍結防止ライン１６に設けられたバルブ１６ａを開けて尿素水１２に助燃剤１４を添加して、尿素水１２の凍結を防止するようにする。

一方、尿素水１２に凍結の恐れがない時期には、尿素水凍結防止ライン１６のバルブ１６ａは閉じられている。

助燃剤１４で、ＤＰＦ３を強制再生する際には、図２で説明したように、ＤＰＦ３の強制再生に必要な量の助燃剤１４を、助燃剤供給ライン１５からＮＯｘ還元剤供給ライン１１を通してノズル７から噴射することで、ＤＰＦ３を５００〜６００℃の温度に保ってＰＭ（ＳＯＯＴ）を酸化燃焼させ、ＤＰＦ３を再生することが可能となる。

なお、図２、図３の実施の形態で、助燃剤１４にてＤＰＦ３を強制再生する例で説明したが、図１の実施の形態と同様に、助燃剤１４の噴射量を少なくしてＤＰＦ３に堆積するＰＭ量を少なくし、強制再生は、従来の強制再生を併用するようにしてもよい。

以上要するに本発明によれば、排気ガス中のＰＭをＤＰＦで捕集する際に、そのＰＭ量を低減できるので、強制再生時の燃料噴射分の燃費を向上させることができ、しかも同時に寒冷地使用時の尿素水の凍結を防止できる。

１ 排気管
２ ＤＯＣ
３ ＤＰＦ
４ ＳＣＲ
７ 噴射ノズル
１０ 還元剤

Claims (5)

1. ディーゼルエンジンの排気管に、ＳＣＲを接続すると共に、そのＳＣＲの上流側で尿素水を噴射して排気ガスを浄化するディーゼル排気ガス処理方法において、
   尿素水に排気ガス中で発火燃焼する助燃剤を添加してＮＯｘ還元剤とし、そのＮＯｘ還元剤を噴射するに際し、
   尿素水の凍結温度以下のとき尿素水に助燃剤を添加してＮＯｘ還元剤とし、尿素水の凍結温度より高いとき尿素水と助燃剤とを噴射直前で混合してＮＯｘ還元剤として噴射することを特徴とする排気ガス浄化方法。
2. ディーゼルエンジンの排気管に、ＤＯＣ，ＤＰＦ，ＳＣＲが順次接続され、尿素水をＮＯｘ還元剤として噴射し、その下流側のＳＣＲでＮＯｘを尿素水の熱分解で生じたアンモニアで脱硝し、ＤＰＦの強制再生時に、そのＤＰＦに堆積したＰＭを除去すべく、尿素水と共に助燃剤をＤＰＦの上流側で噴射し、その助燃剤の燃焼でＤＰＦを再生する請求項１記載の排気ガス浄化方法。
3. 前記助燃剤がアルコール類である請求項１又は２に記載の排気ガス浄化方法。
4. ディーゼルエンジンの排気管に、ＳＣＲを接続すると共に、そのＳＣＲの上流側で尿素水を噴射して排気ガスを浄化処理するディーゼル排気ガス処理装置において、
   排気ガス中で発火燃焼する助燃剤を収容する手段と、
   尿素水を収容する手段と、
   助燃剤を収容する手段から尿素水を収容する手段へ助燃剤を供給できるように備えられたラインと、
   前記ラインに接続され、前記ラインから助燃剤を尿素水に添加してＮＯｘ還元剤とするためのバルブと、
   ＮＯｘ還元剤を噴射する噴射ノズルと
   を備えたことを特徴とする排気ガス浄化装置。
5. ディーゼルエンジンの排気管に、ＤＯＣ，ＤＰＦ，ＳＣＲが順次接続され、前記噴射ノズルが、ＤＰＦの上流側に設けられ、その噴射ノズルのＮＯｘ還元剤供給ラインに、ＤＰＦ強制再生時に、排ガス中で発火燃焼する助燃剤を供給する助燃剤供給ラインが接続される請求項４記載の排気ガス浄化装置。

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