JP5681267B2

JP5681267B2 - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP5681267B2
Application number: JP2013239957A
Authority: JP
Inventors: 龍起五十嵐
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2013-11-20
Filing date: 2013-11-20
Publication date: 2015-03-04
Anticipated expiration: 2030-04-28
Also published as: JP2014055595A

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。

また、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、アンモニアそのもの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、毒性のない尿素水を還元剤として使用することが実用化されている。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。

他方、ディーゼルエンジンの排気浄化を図る場合、排気ガス中のＮＯxを除去するだけでは不十分であり、排気ガス中に含まれるパティキュレート（Particulate Matter：粒子状物質）についてもパティキュレートフィルタを通して捕集する必要があるが、通常のディーゼルエンジンの運転状態においては、パティキュレートが自己燃焼するほどの高い排気温度が得られる機会が少ないため、ＰｔやＰｄ等を活性種とする酸化触媒をパティキュレートフィルタに一体的に担持させるようにしている。即ち、このような酸化触媒を担持させたパティキュレートフィルタを採用すれば、捕集されたパティキュレートの酸化反応が促進されて着火温度が低下し、従来より低い排気温度でもパティキュレートを燃焼除去することが可能となる。

ただし、斯かるパティキュレートフィルタを採用した場合であっても、排気温度の低い運転領域では、パティキュレートの処理量よりも捕集量が上まわってしまうので、このような低い排気温度での運転状態が続くと、パティキュレートフィルタの再生が良好に進まずに該パティキュレートフィルタが過捕集状態に陥る虞れがある。

そこで、パティキュレートフィルタの前段にフロースルー型の酸化触媒を付帯装備させ、パティキュレートの堆積量が増加してきた段階で前記酸化触媒より上流の排気ガス中に燃料を添加してパティキュレートフィルタを強制再生することが考えられている。

つまり、酸化触媒より上流の排気ガス中に燃料を添加すれば、その添加燃料（ＨＣ）が前段の酸化触媒を通過する間に酸化反応するので、その反応熱で昇温した排気ガスの流入により直後のパティキュレートフィルタの触媒床温度が上げられてパティキュレートが燃やし尽くされ、パティキュレートフィルタの再生が図られることになる。

ただし、渋滞路ばかりを走行する都市部の路線バス等のように排気温度の低い軽負荷の運転状態が長く続く運行形態の車輌にあっては、前段の酸化触媒が十分な触媒活性を発揮し得る触媒床温度まで昇温し難く、該酸化触媒における添加燃料の酸化反応が活発化してこないため、パティキュレートフィルタを短時間のうちに効率良く再生することができないという問題があった。

このため、図４に示す如く、排気管１０の途中に装備したパティキュレートフィルタ１の入側にバーナ２を設け、車輌の運転状態に拘わらず前記バーナ２の燃焼により捕集済みパティキュレートを焼却し、パティキュレートフィルタ１を短時間のうちに効率良く再生させることが検討されている。

ここで、図４に示している例では、バーナ２が、図示しない燃料タンクからの適量の燃料を噴射する燃料噴射ノズル３と、その噴射口から噴射された燃料に点火するための点火プラグ４とを備えて構成されており、また、図示しないターボチャージャのコンプレッサの下流から分岐した燃焼用空気供給管５が前記バーナ２に接続されて吸気の一部が燃焼用空気として導かれるようになっている。

更に、前記パティキュレートフィルタ１より下流には、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６が装備されており、この選択還元型触媒６の入側には、図示しない尿素水タンクから導いた尿素水を排気ガス７中に添加し得るよう尿素水噴射装置８が設けられ、該尿素水噴射装置８による尿素水の添加位置と前記選択還元型触媒６との間には、尿素水と排気ガス７との混合促進を図り得るようガスミキサ９が設けられている。

また、ここに図示している例では、前記尿素水噴射装置８による尿素水の添加位置とパティキュレートフィルタ１との間に、排気ガス７中のＮＯのＮＯ₂への酸化反応を促す酸化触媒１１が装備されており、また、選択還元型触媒６の直後には、余剰のアンモニアを酸化処理する酸化触媒１２が装備されている。

尚、この種の排気浄化触媒や排気ガスをバーナを用いて加熱する技術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や特許文献２がある。

特開２００９−６８４２４号公報特開２００９−９１９０９号公報

しかしながら、前記バーナ２は、パティキュレートフィルタ１の強制再生に使用するだけでなく、選択還元型触媒６を冷間始動時等に活性温度域まで昇温させるために使用したい場合があるが、図４に示す如く、パティキュレートフィルタ１の強制再生を優先したレイアウトでは、バーナ２と選択還元型触媒６との間に熱容量の大きなパティキュレートフィルタ１が介在してしまうことになるため、特にアイドリング状態のように排気ガスの流量が少ない運転状態にあっては、パティキュレートフィルタ１が十分に暖まるまで選択還元型触媒６を昇温することができず、該選択還元型触媒６の温度を早期に活性温度域まで上げることができないという問題があった。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、パティキュレートフィルタの強制再生だけでなく排気浄化触媒の昇温も良好に行い得るようにした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、排気管の上流側に排気浄化触媒を配置し且つ該排気浄化触媒の下流側にパティキュレートフィルタを配置して装備した排気浄化装置であって、前記排気浄化触媒の上流に装備された酸化触媒と、燃焼により高温の排気ガスを生成するバーナと、該バーナの排気ガスを前記パティキュレートフィルタ及び排気浄化触媒の夫々の入側に導き得る排気分配管と、該排気分配管に装備されて前記バーナの排気ガスをパティキュレートフィルタ及び排気浄化触媒の夫々の入側の何れか一方に選択的に振り分ける流路切替手段とを備え、前記流路切替手段は、前記バーナの排気ガスを前記排気浄化触媒の入側に振り分ける際に、前記排気浄化触媒の入側、且つ、前記酸化触媒の下流側に導くことを特徴とするものである。

而して、パティキュレートフィルタの強制再生を行いたい場合に、バーナを着火して高温の排気ガスを生成し、その高温の排気ガスを流路切替手段により排気分配管の流路を切り替えてパティキュレートフィルタの入側に直接的に導くようにすれば、該パティキュレートフィルタが短時間のうちに効率良く再生されることになる。

また、排気浄化触媒を冷間始動時等に活性温度域まで昇温させたい場合には、バーナを着火して高温の排気ガスを生成し、その高温の排気ガスを流路切替手段により排気分配管の流路を切り替えて排気浄化触媒の入側に直接的に導くようにすれば、高温の排気ガスが熱容量の大きなパティキュレートフィルタを経由せずに排気浄化触媒に導入されて短時間のうちに効率良く活性温度域まで昇温されることになる。

更に、本発明においては、排気管の上流側に排気浄化触媒を配置し且つ該排気浄化触媒の下流側にパティキュレートフィルタが配置される。

排気管の上流側に排気浄化触媒が配置されているので、該排気浄化触媒が排気温度の高い上流側に配置されることで触媒活性が保たれ易くなって触媒上での排気浄化反応が促進される。

上記した本発明の排気浄化装置によれば、車輌の運転状態に拘わらずバーナ燃焼による高温の排気ガスでパティキュレートフィルタ内の捕集済みパティキュレートを確実に焼却し、パティキュレートフィルタを短時間のうちに効率良く再生させることができると共に、排気浄化触媒に関しても、バーナからの高温の排気ガスをパティキュレートフィルタを経由させずに直接的に排気浄化触媒の入側に導いて該排気浄化触媒の昇温を良好に行い、該排気浄化触媒の温度を早期に活性温度域まで上げて排気浄化性能を確実に発揮させることができるという優れた効果を奏し得る。

本発明の第一参考例を示す概略図である。本発明の第一形態例を示す概略図である。本発明の第二参考例を示す概略図である。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は本発明の第一参考例を示すもので、ここに図示してある例では、ディーゼルエンジンからの排気ガス７が流通する排気管１０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６と、該選択還元型触媒６の下流側で排気ガス７中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタ１とが並列に配置され、選択還元型触媒６の出側端部とパティキュレートフィルタ１の入側端部との間がＳ字状の排気管１０により接続されており、選択還元型触媒６の出側端部から排出された排気ガス７が逆向きに折り返されて隣のパティキュレートフィルタ１の入側端部に導入されるようにしてある。

また、前記排気管１０における選択還元型触媒６の入側には、図示しない尿素水タンクから導いた尿素水を排気ガス７中に添加し得るよう尿素水噴射装置８が設けられ、該尿素水噴射装置８による尿素水の添加位置と前記選択還元型触媒６との間には、尿素水と排気ガス７との混合促進を図り得るようガスミキサ９が設けられており、更に、前記尿素水噴射装置８の上流側には、排気ガス７中のＮＯのＮＯ₂への酸化反応を促す酸化触媒１１が装備されている。

そして、燃焼により高温の排気ガス１３を生成し得るバーナ２が排気管１０から独立してパティキュレートフィルタ１及び選択還元型触媒６の近傍に設けられており、前記バーナ２の燃焼により生じた高温の排気ガス１３が排気分配管１４を介し酸化触媒１１及びパティキュレートフィルタ１の夫々の入側に導かれるようになっている。

ここで、前記バーナ２は、前述した図４の例の場合と同様に、図示しない燃料タンクからの適量の燃料を噴射する燃料噴射ノズル３と、その噴射口から噴射された燃料に点火するための点火プラグ４とを備えて構成されており、また、図示しないターボチャージャのコンプレッサの下流から分岐した燃焼用空気供給管５が前記バーナ２に接続されて吸気の一部が燃焼用空気として導かれるようになっている。ただし、燃焼用空気供給管５は専用のブロワを設けて導くようにすることも可能である。

また、前記排気分配管１４は、前記バーナ２の出口部から二股状に分岐して酸化触媒１１及びパティキュレートフィルタ１の夫々の入側に接続されるようになっているが、その分岐箇所には、酸化触媒１１の入側に向かう分岐流路１４ａを開閉するバルブ１５と、パティキュレートフィルタ１の入側に向かう分岐流路１４ｂを開閉するバルブ１６とが流路切替手段として設けられている。

而して、パティキュレートフィルタ１の強制再生を行いたい場合に、バーナ２を着火して高温の排気ガス１３を生成し、その高温の排気ガス１３をバルブ１５を閉じ且つバルブ１６を開けてパティキュレートフィルタ１の入側に直接的に導くようにすれば、高温の排気ガス１３が熱容量の大きな酸化触媒１１と選択還元型触媒６を経由せずにパティキュレートフィルタ１に導入され、該パティキュレートフィルタ１が短時間のうちに効率良く再生されることになる。

また、選択還元型触媒６を冷間始動時等に活性温度域まで昇温させたい場合には、バーナ２を着火して高温の排気ガス１３を生成し、その高温の排気ガス１３をバルブ１５を明け且つバルブ１６を閉じて酸化触媒１１の入側に導くようにすれば、高温の排気ガス１３が熱容量の大きなパティキュレートフィルタ１を経由せずに選択還元型触媒６に導入されて短時間のうちに効率良く活性温度域まで昇温されることになる。

ここで、酸化触媒１１の入側に高温の排気ガス１３を導いているのは、この酸化触媒１１も一緒に昇温して活性温度域に上げることを目的としているからであり、該酸化触媒１１の活性が高まれば、排気ガス７中のＮＯのＮＯ₂への酸化反応が促され、反応性の高いＮＯ₂の比率が増えることにより、選択還元型触媒６での反応速度の速い還元反応が促進されて良好なＮＯxの低減化が図られることになる。

即ち、選択還元型触媒６に添加された尿素水は、その添加後に排気ガス７中で熱を受けて次式
［化１］
（ＮＨ₂）₂ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→２ＮＨ₃＋ＣＯ₂
によりアンモニアと炭酸ガスに分解されるので、このアンモニアによりＮＯxが還元浄化されることになるが、排気ガス７中のＮＯxの大半を占めるＮＯに対し酸化触媒１１によりＮＯ₂が増やされていくと、最も反応速度の早い次式
［化２］
ＮＯ＋ＮＯ₂＋２ＮＨ₃→２Ｎ₂＋３Ｈ₂Ｏ
による還元反応が促されて良好なＮＯxの低減化が図られることになる。

尚、この還元反応を促すにあたっては、排気ガス７中のＮＯ／ＮＯ₂比が約１〜１．３に近いことが重要となる。

また、ここで付言しておくと、仮に酸化触媒１１によるＮＯからＮＯ₂への酸化反応を促す作用がなかったならば、排気ガス７中のＮＯxの大半がＮＯで占められることになるため、次式
［化３］
６ＮＯ＋４ＮＨ₃→５Ｎ₂＋６Ｈ₂Ｏ
或いは、次式
［化４］
４ＮＯ＋４ＮＨ₃＋Ｏ₂→４Ｎ₂＋６Ｈ₂Ｏ
により排気ガス７中のＮＯxが還元浄化されることになるが、排気ガス７中のＮＯ／ＮＯ₂比が約１〜１．３である場合と比較して、その反応速度が遅くなることは言うまでもない。

尚、この図１に示している第一参考例では、排気管１０の上流側に選択還元型触媒６を配置し且つ該選択還元型触媒６の下流側にパティキュレートフィルタ１を配置した構成が採用されているので、選択還元型触媒６が排気温度の高い上流側に配置されることで触媒活性が保たれ易くなって触媒上での排気浄化反応が促進されるという作用も得られる。

以上に述べた通り、上記参考例によれば、車輌の運転状態に拘わらずバーナ２の燃焼による高温の排気ガス１３でパティキュレートフィルタ１内の捕集済みパティキュレートを確実に焼却し、パティキュレートフィルタ１を短時間のうちに効率良く再生させることができると共に、選択還元型触媒６に関しても、バーナ２からの高温の排気ガス１３をパティキュレートフィルタ１を経由させずに直接的に選択還元型触媒６の入側に導いて該選択還元型触媒６の昇温を良好に行い、該選択還元型触媒６の温度を早期に活性温度域まで上げ、酸素共存下でも選択的にＮＯxをアンモニアと反応させて良好にＮＯxを還元浄化する排気浄化性能を確実に発揮させることができる。

図２は本発明の第一形態例を示すもので、ここに図示している例では、先の図１における第一参考例で酸化触媒１１の入側に接続していた排気分配管１４の分岐流路１４ａを前記酸化触媒１１の出側に接続するようにしており、該酸化触媒１１を経由させずに選択還元型触媒６に導入するようにした点で第一参考例と異なっている。

このような形態は、近年におけるＥＧＲ装置を搭載したディーゼルエンジン（排気ガス７の一部を排気側から吸気側に再循環する機構を備えたディーゼルエンジン）の少なくとも一部に対して好適である。即ち、この種のＥＧＲ装置を搭載したディーゼルエンジンの一部では、選択還元型触媒６を昇温しなければならないような排気温度の低い軽負荷の運転状態で排気ガス７の再循環を実施した場合に、ＮＯ₂の比率が増えてくるエンジン特性のものがあり、斯かるエンジン特性のものについては、特に酸化触媒１１の活性を上げてＮＯ₂の比率を増やす必要がないため、選択還元型触媒６の昇温を最優先するのが合理的である。

尚、軽負荷以外の運転状態における排気ガス７の再循環によっては、特にＮＯ₂の比率が高くなるわけではないので、酸化触媒１１によりＮＯ₂比率を増やす作用が効果的であることは言うまでもない。

図３は本発明の第二参考例を示すもので、ここに図示している例では、先の第一参考例や第一形態例における選択還元型触媒６とパティキュレートフィルタ１との配置を逆にしたものとなっており、排気管１０の上流側にパティキュレートフィルタ１が配置され且つ該パティキュレートフィルタ１の下流側に選択還元型触媒６が配置されている。

これらパティキュレートフィルタ１の出側端部と選択還元型触媒６の入側端部との間を繋いでいるＳ字状の排気管１０の途中には、図示しない尿素水タンクから導いた尿素水を排気ガス７中に添加し得るよう尿素水噴射装置８が設けられている。

また、ここに図示している例では、パティキュレートフィルタ１の入口付近に、排気ガス７中のＮＯのＮＯ₂への酸化反応を促す酸化触媒１１が装備されており、該酸化触媒１１の入側に排気分配管１４の分岐流路１４ａが接続されるようになっている。

このような形態は、パティキュレートフィルタ１の自然再生を優先して強制再生の頻度を減らしたい場合に好適である。即ち、パティキュレートフィルタ１が排気温度の高い上流側に配置されていれば、捕集済みパティキュレートが燃え易くなって自然再生が促進されることになり、しかも、図３に示している例では、パティキュレートフィルタ１の入口付近で酸化触媒１１により反応性の高いＮＯ₂が生成されるようになっているので、このＮＯ₂によりパティキュレートフィルタ１における酸化雰囲気が高められて更なる自然再生の促進が図られることになる。

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、図１〜図３に示す第一参考例、第一形態例、及び第二参考例では、選択還元型触媒やパティキュレートフィルタの上流側に排気ガス中のＮＯのＮＯ₂への酸化反応を促す酸化触媒を配置した例を示しているが、この種の酸化触媒を省略した構成であっても良いこと、また、排気浄化触媒は選択還元型触媒とする以外に、排気空燃比がリーンの時に排気ガス中のＮＯxを酸化して硝酸塩の状態で一時的に吸蔵し且つ排気ガス中のＯ₂濃度が低下した時に未燃ＨＣやＣＯ等の介在によりＮＯxを分解放出して還元浄化する性質を備えたＮＯx吸蔵還元触媒等としても良いこと、その他、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。

１パティキュレートフィルタ
２バーナ
６選択還元型触媒（排気浄化触媒）
１０排気管
１３排気ガス
１４排気分配管
１５バルブ（流路切替手段）
１６バルブ（流路切替手段）

Claims

排気管の上流側に排気浄化触媒を配置し且つ該排気浄化触媒の下流側にパティキュレートフィルタを配置して装備した排気浄化装置であって、前記排気浄化触媒の上流に装備された酸化触媒と、燃焼により高温の排気ガスを生成するバーナと、該バーナの排気ガスを前記パティキュレートフィルタ及び排気浄化触媒の夫々の入側に導き得る排気分配管と、該排気分配管に装備されて前記バーナの排気ガスをパティキュレートフィルタ及び排気浄化触媒の夫々の入側の何れか一方に選択的に振り分ける流路切替手段とを備え、
前記流路切替手段は、前記バーナの排気ガスを前記排気浄化触媒の入側に振り分ける際に、前記排気浄化触媒の入側、且つ、前記酸化触媒の下流側に導くことを特徴とする排気浄化装置。