JP5632195B2 - 排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気浄化装置に関するものである。

従来より、ディーゼルエンジンにおいては、排気ガスが流通する排気管の途中に、酸素共存下でも選択的にＮＯxを還元剤と反応させる性質を備えた選択還元型触媒を装備し、該選択還元型触媒の上流側に必要量の還元剤を添加して該還元剤を選択還元型触媒上で排気ガス中のＮＯx（窒素酸化物）と還元反応させ、これによりＮＯxの排出濃度を低減し得るようにしたものがある。

他方、プラント等における工業的な排煙脱硝処理の分野では、還元剤にアンモニア（ＮＨ₃）を用いてＮＯxを還元浄化する手法の有効性が既に広く知られているところであるが、自動車の場合には、アンモニアのような有毒な物質を搭載して走行することに関し安全確保が困難であるため、近年においては、毒性のない尿素水を還元剤として使用することが研究されている。

即ち、尿素水を選択還元型触媒の上流側で排気ガス中に添加すれば、該排気ガス中で尿素水がアンモニアと炭酸ガスに熱分解され、選択還元型触媒上で排気ガス中のＮＯxがアンモニアにより良好に還元浄化されることになる。

図１２は前述の尿素水を還元剤として排気ガス中のＮＯxを還元浄化する選択還元型触媒を備えた排気浄化装置の一例を示すもので、ここに図示している例では、ディーゼルエンジン１から排気マニホールド２を介して排出される排気ガス３が流通する排気管４の途中に、酸素共存下でも選択的にＮＯxをアンモニアと反応させ得る性質を備えた選択還元型触媒５が装備されている。

そして、この選択還元型触媒５より上流側の排気管４に、尿素水６を還元剤として噴射する尿素水添加用インジェクタ７（尿素水添加手段）が設置されていると共に、前記選択還元型触媒５の直後には、リークアンモニア対策として余剰のアンモニアを酸化処理するＮＨ₃スリップ触媒８が装備されている。

また、前記尿素水添加用インジェクタ７による尿素水６の添加位置より上流側の排気管４に、排気ガス３中の未燃燃料分を酸化処理する機能を高めた酸化触媒９が装備されていると共に、該酸化触媒９の直後には、自身にも酸化触媒を一体的に担持したパティキュレートフィルタ１０が装備されている。

斯かる排気浄化装置によれば、尿素水添加用インジェクタ７から尿素水６が噴射されて排気ガス３中でアンモニアと炭酸ガスに熱分解され、活性下限温度以上の温度条件下で活性状態となっている選択還元型触媒５上で排気ガス３中のＮＯxがアンモニアと効果的に反応して良好に還元浄化されることになる。

また、ここに図示している例では、選択還元型触媒５の上流側にパティキュレートフィルタ１０が装備されているので、該パティキュレートフィルタ１０により排気ガス３中のパティキュレートが捕集されて除去され、パティキュレートの堆積量が所定量に達した際に、ディーゼルエンジン１側でメイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い非着火のタイミングでポスト噴射を実施すると、このポスト噴射により排気ガス３中に未燃の燃料（主としてＨＣ：炭化水素）が添加され、この未燃の燃料が酸化触媒９を通過する間に酸化反応し、その反応熱で昇温した排気ガス３の流入により後段のパティキュレートフィルタ１０の触媒床温度が上げられてパティキュレートが強制的に燃焼除去される。

尚、この種の尿素水を還元剤として排気ガス中のＮＯxを還元浄化する選択還元型触媒を備えた排気浄化装置に関連する先行技術文献情報としては下記の特許文献１等がある。

特開２００４−２３９１０９号公報

この種の選択還元型触媒５においては、その触媒材料としてゼオライトを使用する等してアンモニアの吸着性を高め、選択還元型触媒５上でのＮＯxとアンモニアとの反応性を向上することが行われているが、このようにアンモニアの吸着性を高めた選択還元型触媒５の上流側でパティキュレートフィルタ１０の強制再生を行うと、その前段の酸化触媒で添加燃料が酸化反応することによる発熱と、パティキュレートフィルタ１０における捕集済みのパティキュレートが燃焼することによる発熱とにより、パティキュレートフィルタ１０の出側における排気ガス３の温度が急激に上昇し、選択還元型触媒５に吸着していたアンモニアが選択還元型触媒５から一気に脱離し、ＮＨ₃スリップ触媒８で処理し切れずに外部に排出されてしまう虞れがあった。

即ち、このような選択還元型触媒５からのアンモニアの脱離が見込まれる時には、尿素水６の噴射が停止される制御が組まれており、次々と流入するＮＯxによりアンモニアが消費されていくようにはなっているが、制御遅れにより尿素水６の添加で生じたアンモニアと脱離アンモニアとが混合してアンモニア濃度が一時的に急上昇したり、尿素水６の噴射を停止しても既に脱離アンモニアが過剰となっていたりすれば、アンモニアが外部に排出されて強いアンモニア臭を放つ虞れがあった。

ただし、このような突発的なアンモニア濃度のピークに合わせてＮＨ₃スリップ触媒８の容積や貴金属担持量を増大させたならば、ＮＨ₃スリップ触媒８の搭載性の悪化や設備コストの高騰が避けられなくなってしまうため、ＮＨ₃スリップ触媒８の容積や貴金属担持量を増大させることなくアンモニアの外部への排出を防ぎ得るようにすることが望まれている。

尚、ここでは上流側のパティキュレートフィルタ１０の強制再生時における急激な温度上昇を例に説明しているが、上流側にパティキュレートフィルタ１０が装備されていない排気浄化装置であっても、急加速するようなケース等では、急激な温度上昇によるアンモニアの脱離が同様に起こり得ることは勿論である。

本発明は、上述の実情に鑑みてなされたものであり、急激な温度上昇により選択還元型触媒から脱離するアンモニアのピーク濃度を従来より抑制し得る排気浄化装置を提供することを目的としている。

本発明は、排気管の途中に酸素共存下でも選択的にＮＯｘをアンモニアと反応させ得る選択還元型触媒を設け且つ該選択還元型触媒より上流側の排気管内に還元剤として尿素水を添加してＮＯｘを還元浄化するようにした排気浄化装置であって、選択還元型触媒をアンモニアに対する飽和吸着量曲線の異なる二つの選択還元型触媒を組み合わせて構成し、同じ温度条件での単位容積当たりのアンモニア吸着量が相対的に多い方の選択還元型触媒を上流側に、少ない方の選択還元型触媒を下流側にして両選択還元型触媒を直列配置し、同じ温度条件での温度上昇により両選択還元型触媒から脱離するアンモニアの量である両選択還元型触媒からのアンモニア脱離量のうち、下流側の前記選択還元型触媒からのアンモニア脱離量が相対的に少なくなるようにしたことを特徴とするものである。

而して、このようにすれば、上流側の選択還元型触媒について従来通りのアンモニア吸着特性を維持しても、下流側の選択還元型触媒における同じ温度条件での単位容積当たりのアンモニア吸着量が相対的に少なくなっているので、急激な温度上昇により両選択還元型触媒からアンモニアが一気に脱離した際に、従来よりも下流側の選択還元型触媒から脱離するアンモニアの量が減る分だけ該アンモニアの総脱離量が少なくなってピーク濃度が低く抑えられる。

また、そもそも従来における選択還元型触媒にあっては、ＮＯx濃度及びアンモニア濃度が高い上流側の領域において活発な還元浄化反応が行われており、ＮＯxの還元浄化に大きく貢献しているのは実質的に選択還元型触媒の上流側の領域であったため、アンモニアに対する飽和吸着量曲線の異なる二つの選択還元型触媒からなる分割構成を採用し、同じ温度条件での単位容積当たりのアンモニア吸着量が相対的に少ない方の選択還元型触媒を下流側に配置してもＮＯx低減性能への影響は軽微である。

上記した本発明の排気浄化装置によれば、ＮＯx低減性能に悪影響を及ぼすことなく、急激な温度上昇により選択還元型触媒から脱離するアンモニアのピーク濃度を著しく抑制することができるので、余剰のアンモニアを酸化処理するためのＮＨ₃スリップ触媒の容積や貴金属担持量を従来より増大させなくてもアンモニアの外部への排出を効果的に防ぐことができ、しかも、ＮＨ₃スリップ触媒に流入するアンモニアを減量できることで該ＮＨ₃スリップ触媒における酸化反応で新たにＮＯxやＮ₂Ｏが生成されてしまうといった不具合も低減することができる等種々の優れた効果を奏し得る。

本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。 図１の両選択還元型触媒の飽和吸着量曲線を示すグラフである。 温度上昇前の触媒床温度分布を示すグラフである。 温度上昇前の従来例のアンモニア飽和吸着量分布を示すグラフである。 温度上昇前の本形態例のアンモニア飽和吸着量分布を示すグラフである。 温度上昇初期の触媒床温度分布を示すグラフである。 温度上昇初期の従来例のアンモニア飽和吸着量分布を示すグラフである。 温度上昇初期の本形態例のアンモニア飽和吸着量分布を示すグラフである。 温度上昇後期の触媒床温度分布を示すグラフである。 温度上昇後期の従来例のアンモニア飽和吸着量分布を示すグラフである。 温度上昇後期の本形態例のアンモニア飽和吸着量分布を示すグラフである。 従来例を示す概略図である。

以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１は本発明を実施する形態の一例を示すもので、本形態例においては、前述した図１２における選択還元型触媒５を、アンモニアに対する飽和吸着量曲線（図２のグラフを参照）の異なる二つの選択還元型触媒５Ａ，５Ｂを組み合わせて構成とし、同じ温度条件での単位容積当たりのアンモニア吸着量が相対的に多い方の選択還元型触媒５Ａ（図２のグラフ中にＡで示す飽和吸着量曲線のアンモニア吸着特性を持つもの）を上流側に、少ない方の選択還元型触媒５Ｂ（図２のグラフ中にＢで示す飽和吸着量曲線のアンモニア吸着特性を持つもの）を下流側にして両選択還元型触媒５Ａ，５Ｂを直列配置している。

ここで、前記両選択還元型触媒５Ａ，５Ｂには、その触媒材料としてゼオライトが使用されており、前記両選択還元型触媒５Ａ，５Ｂに同じ種類のゼオライトを使用する場合には、含有されるシリカ／アルミナ比を調整することでアンモニア吸着特性を変えることができ、より具体的には、シリカ／アルミナ比が低いほど同じ温度条件でのアンモニアの飽和吸着量が多くなるので、本形態例の場合は、上流側の選択還元型触媒５Ａのシリカ／アルミナ比の方が下流側の選択還元型触媒５Ｂより低くなるようにしてある。
尚、ゼオライトの種類によってもアンモニアの飽和吸着量が異なるので、前記両選択還元型触媒５Ａ，５Ｂに異なる種類のゼオライトを触媒材料として選定することでも対応でき、より具体的には、同じ温度条件での単位容積当たりのアンモニア吸着量が相対的に多いゼオライトを上流側の選択還元型触媒５Ａに使用し、同じ温度条件での単位容積当たりのアンモニア吸着量が相対的に少ないゼオライトを下流側の選択還元型触媒５Ｂに使用するようにしても良い。

而して、このように排気浄化装置を構成すれば、上流側の選択還元型触媒５Ａについて従来通りのアンモニア吸着特性を維持しても、下流側の選択還元型触媒５Ａ，５Ｂにおける同じ温度条件での単位容積当たりのアンモニア吸着量が相対的に少なくなっているので、急激な温度上昇により両選択還元型触媒５Ａ，５Ｂからアンモニアが一気に脱離した際に、従来よりも下流側の選択還元型触媒５Ａ，５Ｂから脱離するアンモニアの量が減る分だけ該アンモニアの総脱離量が少なくなってピーク濃度が低く抑えられる。

例えば、２００℃近辺から４００℃超まで急激に温度上昇するケースについて以下に詳細な説明を行うと、図３に示す如く、両選択還元型触媒５Ａ，５Ｂにおける入口（上流側の選択還元型触媒５Ａの入口）から出口（下流側の選択還元型触媒５Ｂの出口）までの触媒床温度分布が２００℃近辺で落ち着いている段階では、図４に示す如く、従来の単一構成の選択還元型触媒５（図１２参照）の場合にアンモニア飽和吸着量が入口から出口かけて高く維持されるのに対し、図５に示す如く、本形態例の場合には、上流側の選択還元型触媒５Ａの範囲において図４と変わるところがないが、下流側の選択還元型触媒５Ｂの範囲においてアンモニア飽和吸着量が図４より大幅に低減されることになる。

このため、図６に示す如く、入口側が先行して４００℃超まで上昇すると、図７に示す如く、従来の単一構成の選択還元型触媒５（図１２参照）の場合は、入口から出口にかけてアンモニア飽和吸着量が大幅に低下し、図４の２００℃近辺でのアンモニア飽和吸着量から低下した差分のアンモニアが全て脱離することになる。

これに対し、図８に示す如く、本形態例の場合には、上流側の選択還元型触媒５Ａの範囲において図７と変わるところがないが、下流側の選択還元型触媒５Ｂの範囲においては、図５の２００℃近辺でのアンモニア飽和吸着量から低下した差分が小さく（低下幅が少ない）、下流側の選択還元型触媒５Ｂからのアンモニアの脱離量は非常に少なくて済む。

更に、図９に示す如く、入口側に追従して出口側が４００℃超まで上昇すると、図１０に示す如く、従来の単一構成の選択還元型触媒５（図１２参照）の場合は、初期段階でアンモニア飽和吸着量が下がりきっていなかった下流側の範囲でアンモニア飽和吸着量が大きく低下し、多量の脱離アンモニアが発生することになる。

これに対し、図１１に示す如く、本形態例の場合には、下流側の選択還元型触媒５Ｂにおけるアンモニア飽和吸着量が、アンモニア吸着特性の違いにより既に初期段階から少なく（上流側の選択還元型触媒５Ａが同じ温度である場合よりも少なく）なっているため、そこから更にアンモニア飽和吸着量が低下しても、アンモニアの脱離量としては、図１０の従来例よりも少なくて済むことになる。

また、そもそも従来における選択還元型触媒５（図１２参照）にあっては、ＮＯx濃度及びアンモニア濃度が高い上流側の領域において活発な還元浄化反応が行われており、ＮＯxの還元浄化に大きく貢献しているのは実質的に選択還元型触媒５（図１２参照）の上流側の領域であったため、本形態例の如く、アンモニアに対する飽和吸着量曲線の異なる二つの選択還元型触媒５Ａ，５Ｂからなる分割構成を採用し、同じ温度条件での単位容積当たりのアンモニア吸着量が相対的に少ない方の選択還元型触媒５Ｂを下流側に配置してもＮＯx低減性能への影響は軽微である。

従って、上記形態例によれば、ＮＯx低減性能に悪影響を及ぼすことなく、急激な温度上昇により選択還元型触媒５Ａ，５Ｂから脱離するアンモニアのピーク濃度を著しく抑制することができるので、余剰のアンモニアを酸化処理するためのＮＨ₃スリップ触媒８の容積や貴金属担持量を従来より増大させなくてもアンモニアの外部への排出を効果的に防ぐことができ、しかも、ＮＨ₃スリップ触媒８に流入するアンモニアを減量できることで該ＮＨ₃スリップ触媒８における酸化反応で新たにＮＯxやＮ₂Ｏが生成されてしまうといった不具合も低減することができる。

尚、本発明の排気浄化装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

３ 排気ガス
４ 排気管
５Ａ 上流側の選択還元型触媒
５Ｂ 下流側の選択還元型触媒
６ 尿素水
８ ＮＨ₃スリップ触媒

Claims (1)

1. 排気管の途中に酸素共存下でも選択的にＮＯｘをアンモニアと反応させ得る選択還元型触媒を設け且つ該選択還元型触媒より上流側の排気管内に還元剤として尿素水を添加してＮＯｘを還元浄化するようにした排気浄化装置であって、選択還元型触媒をアンモニアに対する飽和吸着量曲線の異なる二つの選択還元型触媒を組み合わせて構成し、同じ温度条件での単位容積当たりのアンモニア吸着量が相対的に多い方の選択還元型触媒を上流側に、少ない方の選択還元型触媒を下流側にして両選択還元型触媒を直列配置し、同じ温度条件での温度上昇により両選択還元型触媒から脱離するアンモニアの量である両選択還元型触媒からのアンモニア脱離量のうち、下流側の前記選択還元型触媒からのアンモニア脱離量が相対的に少なくなるようにしたことを特徴とする排気浄化装置。

Images