JP5928278B2 - 排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンからの排気ガスを浄化する排気浄化装置に関するものである。

従来の排気浄化装置としては、例えば特許文献１に記載されているものが知られている。特許文献１に記載の排気浄化装置は、エンジンからの排気ガスを送るためのパイプに接続され、排気ガスを浄化する触媒と、この触媒の触媒セラミック部の周囲に配置され、蓄熱物質（ＣａＯ）を内蔵してなる化学反応蓄熱装置とを備えている。エンジンの冷間始動時には、蓄熱物質に水を供給することで、ＣａＯ＋Ｈ_２Ｏ→Ｃａ（ＯＨ）_２＋熱という反応（発熱反応）が起こり、化学反応蓄熱装置から熱が発生するため、触媒が加熱される。一般走行時には、排気ガスの熱が化学反応蓄熱装置に吸収され、Ｃａ（ＯＨ）_２＋熱→ＣａＯ＋Ｈ_２Ｏという反応（再生反応）が起こり、再生された水が水蒸気として放出される。

しかし、特許文献１に記載のものでは、蓄熱物質と反応する媒体として水を必要とするため、氷点下環境で動作させることが困難である。また、上記再生反応を起こすためには４００℃以上の熱が必要となるが、その熱をエンジンからの排気ガスから得ようとすると時間がかかるため、運転次第では再生反応が終了せず、必要な量の水が得られなくなる。このため、次回のエンジンの冷間始動時には触媒を加熱することができなくなる可能性がある。

そこで、例えば特許文献２に記載されているように、ＭｇＣｌ_２とＮＨ_３とを化学蓄熱反応させることが提案されている。具体的には、蓄熱物質としてＭｇＣｌ_２を用い、その蓄熱物質と反応する媒体としてＮＨ_３を用い、ＭｇＣｌ_２＋６ＮＨ_３→ＭｇＣｌ_２−６ＮＨ_３＋熱という反応を起こすようにする。この場合には、氷点下環境で動作させることが可能となる。また、約１８０℃以上で再生反応が起こるため、ＮＨ_３の再生に必要な時間が短くて済む。

特開昭５９−２０８１１８号公報 特開２０１１−５８６７８号公報

しかしながら、例えばディーゼルエンジンの排気触媒は６００℃以上の高温状態になることがある。この場合には、化学蓄熱反応に使用されるＮＨ_３が熱分解してしまう。ＮＨ_３が熱分解すると、ＭｇＣｌ_２とＮＨ_３との反応が進まなくなるため、十分な熱が得られなくなるおそれがある。

本発明の目的は、アンモニア（ＮＨ_３）を用いた化学蓄熱により排気触媒を加熱する場合に、アンモニアの熱分解を抑制することができる排気浄化装置を提供することである。

本発明は、エンジンからの排気ガスを浄化する排気浄化装置において、エンジンと接続された排気管の内部に設けられた排気触媒と、アンモニアと化学反応して熱を発生させる蓄熱材を有し、排気触媒を加熱する反応器と、反応器にアンモニアを供給するアンモニア供給手段と、排気触媒を回転させる駆動手段とを備え、反応器は、排気管の周囲の一部領域に配置されており、排気触媒は、排気ガスが流れる第１領域と、排気触媒の周方向に第１領域と隣り合うように設けられ、排気ガスが流れない第２領域とを有することを特徴とするものである。

このような本発明の排気浄化装置では、反応器は、排気管の周囲の一部領域に配置されている。また、排気触媒は、排気ガスが流れる第１領域と、排気触媒の周方向に第１領域と隣り合うように設けられ、排気ガスが流れない第２領域とを有している。第１領域は、排気ガス中に含まれるＨＣやＣＯ等を酸化して浄化する領域となる。ここで、排気ガスの温度が低いときは、第１領域を反応器側に位置させるようにする。その状態では、反応器において蓄熱材とアンモニアとが化学反応することで熱が発生し、その熱によって排気触媒の第１領域が活性化温度まで加熱されるようになる。一方、第１領域を通る排気ガスの温度が所定温度以上に高くなると、第２領域が反応器側に位置するように、駆動手段により排気触媒を回転させる。これにより、高温状態の第１領域が反応器から離れることになるため、反応器内のアンモニアの熱分解を抑制することができる。

好ましくは、第１領域は、触媒物質を担持する格子状の基材からなり、第２領域は、壁状となっている。この場合には、排気ガスが流れる第１領域と排気ガスが流れない第２領域とを有する排気触媒を簡単に作製することができる。

また、好ましくは、排気触媒を通る排気ガスの温度を検出する温度検出手段と、温度検出手段により検出された排気ガスの温度が所定温度以上であるときに、第１領域が反応器側に位置する状態から第１領域が反応器の反対側に位置する状態となる量だけ排気触媒を回転させるように、駆動手段を制御する制御手段とを更に備える。この場合には、排気触媒の第１領域が反応器側に位置する状態で、排気触媒を通る排気ガスの温度が所定温度以上になると、第２領域が反応器側に位置する状態となるように排気触媒が自動的に回転するようになる。

さらに、好ましくは、エンジンはディーゼルエンジンであり、排気触媒は酸化触媒であり、排気管における酸化触媒の下流側には、ディーゼル排気微粒子除去フィルタが配置されている。ディーゼルエンジンの排気系に設けられた酸化触媒は、その下流側のディーゼル排気微粒子除去フィルタ（ＤＰＦ）に堆積したＰＭ（煤）を燃やすために、燃料を反応させて高温状態を作り出す機能を有している。従って、そのようなディーゼルエンジンの排気系に本発明の排気浄化装置を適用することが特に効果的である。

このとき、好ましくは、ディーゼル排気微粒子除去フィルタは、反応器の反対側に対応する前端位置が反応器側に対応する前端位置よりも酸化触媒に近くなるように構成されている。酸化触媒（排気触媒）を通る排気ガスの温度が所定温度以上になることで、上記のように酸化触媒を回転させると、酸化触媒においては、第１領域側（反応器の反対側）の温度が第２領域側（反応器側）の温度よりも高い状態となる。従って、ＤＰＦにおいて、反応器側の反対側に対応する前端位置を反応器側に対応する前端位置よりも酸化触媒に近くすることにより、ＤＰＦに堆積したＰＭを酸化触媒の熱により効率的に燃やすことができる。

本発明によれば、アンモニアを用いた化学蓄熱により排気触媒を加熱する場合に、アンモニアの熱分解を抑制することができる。これにより、蓄熱材とアンモニアとの反応が長期間安定して維持され、反応器から十分な熱を発生させることが可能となる。

本発明に係る排気浄化装置の一実施形態を示す概略構成図である。 図１に示した排気浄化装置の要部を示す断面を含む構成図である。 図２のIII−III線断面図である。 図２に示したコントローラによるモータ制御処理の手順を示すフローチャートである。 図３に示した酸化触媒が半回転した状態を示す断面図である。 図１に示したディーゼル排気微粒子除去フィルタ（ＤＰＦ）の好適な形状を示す平面図である。

以下、本発明に係る排気浄化装置の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明に係る排気浄化装置の一実施形態を示す概略構成図である。同図において、本実施形態の排気浄化装置１は、ディーゼルエンジン（単にエンジンということがある）２の排気系に設けられ、エンジン２から排出される排気ガス中に含まれる有害物質（環境汚染物質）を浄化する装置である。

排気浄化装置１は、エンジン２と接続された排気管３の上流側から下流側に向けて順に配置された酸化触媒４、ディーゼル排気微粒子除去フィルタ（ＤＰＦ）５及び選択還元触媒（ＳＣＲ）６を備えている。酸化触媒４は、排気ガス中に含まれるＨＣやＣＯ等を酸化して浄化する触媒である。ＤＰＦ５は、排気ガス中に含まれるＰＭ（煤）を捕集して取り除くフィルタである。ＳＣＲ６は、尿素水等を供給して、排気ガス中に含まれるＮＯｘを還元して浄化する触媒である。エンジン２と酸化触媒４との間には、酸化触媒４を高温状態とするために排気管３内に燃料を添加する燃料添加弁７が設けられている。

また、排気浄化装置１は、化学蓄熱を利用して酸化触媒４を加熱する反応器８を更に備えている。反応器８には、アンモニア（ＮＨ_３）を貯蔵する貯蔵器９がＮＨ_３供給管１０を介して接続されている。なお、ＮＨ_３供給管１０には、開閉弁１１が設けられている。

図２は、排気浄化装置１の要部（酸化触媒４及び反応器８）を示す断面を含む構成図であり、図３は、図２のIII−III線断面図である。各図において、酸化触媒４は、円筒状の排気管３内に配置されている。

酸化触媒４は、触媒物質を担持するハニカム状（格子状）の基材１２で形成され、排気ガスが流れる断面半円形状の触媒領域１３と、壁状に形成され、排気ガスが流れない断面半円形状の壁状領域１４とからなっている。触媒領域１３の基材１２は、例えばコージェライト等のセラミックスやステンレス等のメタルで形成されている。基材１２に担持される触媒物質としては、白金やパラジウム等の貴金属が用いられる。壁状領域１４は、例えば基材１２と同じ材料で形成されている。

反応器８は、排気管３の周囲における酸化触媒４に対応する部位に断面半リング状に配置されている。反応器８は、ステンレス鋼（ＳＵＳ）で形成された筐体１５を有している。筐体１５は、排気管３の外周面に溶接で結合されている。また、筐体１５には、ＮＨ_３供給管１０が溶接で結合されている。なお、図３では、ＮＨ_３供給管１０を省略してある。

筐体１５内には、ＮＨ_３と化学反応して熱を発生させる固体状または粉末状の蓄熱材１６が配置されている。蓄熱材１６としては、塩化金属、臭化金属、ヨウ化金属化合物であり、ＭｇＣｌ_２、ＣａＣｌ_２、ＮｉＣｌ_２、ＺｎＣｌ_２、ＳｒＣｌ_２等が挙げられる。蓄熱材１６は、排気管３の外周面に接触した状態で筐体１５内に収容されている。

筐体１５の内壁面と蓄熱材１６との間には、蓄熱材１６で発生した熱を筐体１５の外部に逃がさないための断熱材１７が配置されている。断熱材１７は、例えばガラスウールやセラミック多孔体等で形成されている。

酸化触媒４は、通常は図３に示すように、触媒領域１３の円弧部分が反応器８に囲まれるように触媒領域１３が反応器８側に位置し、壁状領域１４が反応器８の反対側に位置する状態となっている。

また、排気浄化装置１は、酸化触媒４を回転させる回転機構１８と、この回転機構１８を駆動するモータ１９とを更に備えている。回転機構１８は、排気管３内に配置され、互いに噛み合う歯車２０ａ，２０ｂからなる傘歯車２０と、歯車２０ａと酸化触媒４とを連結する軸部２１と、歯車２０ｂとモータ１９とを連結する軸部２２とを有している。軸部２１は、排気管３の排気方向に延在している。軸部２２は、排気管３の排気方向に直交する方向に延在すると共に、排気管３の外部に突き抜けてモータ１９と連結されている。軸部２２と排気管３との間はシールされている。モータ１９を回転させると、この回転が軸部２２、傘歯車２０及び軸部２１を介して酸化触媒４に伝わり、酸化触媒４が回転する。

さらに、排気浄化装置１は、酸化触媒４の触媒領域１３を通る排気ガスの温度を検出する温度センサ２３と、この温度センサ２３の検出値に基づいてモータ１９を制御するコントローラ２４とを備えている。

図４は、コントローラ２４によるモータ制御処理の手順を示すフローチャートである。図４において、温度センサ２３の検出値を取得し（手順Ｓ１０１）、温度センサ２３により検出された排気ガスの温度が閾値以上であるかどうかを判断する（手順Ｓ１０２）。ここで、閾値は、ＮＨ_３が熱分解する温度（例えば３００℃〜４００℃程度）よりも低い温度に設定されている。

排気ガスの温度が閾値以上でないときは、そのまま手順Ｓ１０１に戻る。排気ガスの温度が閾値以上であるときは、酸化触媒４が半回転するようにモータ１９を制御し（手順Ｓ１０３）、手順Ｓ１０１に戻る。これにより、酸化触媒４は、図５に示すように、壁状領域１４の円弧部分が反応器８に囲まれるように壁状領域１４が反応器８側に位置し、触媒領域１３が反応器８の反対側に位置する状態となる。

なお、特に図示はしないが、例えばイグニッションスイッチがＯＦＦされると、図５に示す状態から酸化触媒４が半回転するようにモータ１９が制御され、酸化触媒４が元の状態（図３に示す状態）に戻るようになる。

このような排気浄化装置１において、エンジン２からの排気ガスの温度が低いときには、酸化触媒４は、触媒領域１３が反応器８側に位置した状態となっている（図３参照）。その状態では、開閉弁１１が開弁し、貯蔵器９に貯蔵されたＮＨ_３がＮＨ_３供給管１０を介して反応器８に導入される。すると、反応器８に充填された蓄熱材（ここではＭｇＣｌ_２）とＮＨ_３とが化学反応してＮＨ_３を吸蔵し、反応器８から熱が発生する。つまり、下記の反応式における左辺から右辺への反応（発熱反応）が起こる。従って、反応器８から発生した熱によって、酸化触媒４の触媒領域１３が汚染物質の浄化に適した活性化温度まで上昇する。
ＭｇＣｌ_２＋６ＮＨ_３ ⇔ ＭｇＣｌ_２−６ＮＨ_３＋熱（ΔＨ）
（ΔＨ＝６７ｋＪ／ｍｏｌ（ＮＨ_３））

一方、エンジン２からの排気ガスの温度が高くなると、排気ガスの熱（排熱）が反応器８に与えられることでＭｇＣｌ_２とＮＨ_３とが分離する。つまり、上記の反応式における右辺から左辺への反応（再生反応）が起こる。そして、開閉弁１１が開弁した状態で、分離したＮＨ_３が反応器８からＮＨ_３供給管１０を介して貯蔵器９に戻る。

このとき、蓄熱材１８と反応する媒体としてＮＨ_３を使用することにより、反応器８を氷点下環境でも動作させることが可能である。また、排熱による再生反応は約１８０℃以上で可能となるため、再生にかかる時間が短くなり、再生反応を確実に終了させることができる。

エンジン２からの排気ガスの温度が更に高くなって閾値以上になると、モータ１９が回転駆動されることで、酸化触媒４が半回転する。これにより、上述したように、酸化触媒４は、壁状領域１４が反応器８側に位置し、触媒領域１３が反応器８から退避した状態となる（図５参照）。

ところで、酸化触媒４は、ＤＰＦ５に堆積した煤を燃やして処理するために、燃料添加弁７より添加された燃料を反応させて高温状態を作り出すという役割も有している。具体的には、燃料添加弁７より添加された燃料が、触媒物質の作用により排気ガス中の酸素と反応することで、酸化触媒４において高温の熱が発生する。これにより、酸化触媒４の触媒領域１３を通過する排気ガスの温度が上昇し、高温となった排気ガスが下流側のＤＰＦ５に流れることで、煤が燃焼される。

本実施形態では、酸化触媒４は、排気ガスが流れる断面半円形状の触媒領域１３と、排気ガスが流れない断面半円形状の壁状領域１４とから構成されていると共に、回転機構１８及びモータ１９によって回転可能となっている。また、反応器８は、排気管３の周囲全体ではなく、排気管３の周囲に半リング状に配置されている。そして、通常は酸化触媒４の触媒領域１３が反応器８側に位置しており、触媒領域１３を流れる排気ガスの温度が閾値以上になると、酸化触媒４が半回転して、触媒領域１３が反応器８の反対側に位置するようになる。これにより、高温状態となった触媒領域１３は反応器８から離れることになるため、反応器８内に存在するＮＨ_３の熱分解を抑制することができる。その結果、ＮＨ_３の総量が確保されるため、上記の発熱反応を促進させて十分な熱を発生させ、ひいては酸化触媒４の加熱性能を向上させることが可能となる。

また、排気ガスの温度が閾値以上になると、上述したように、酸化触媒４は、壁状領域１４が反応器８側に位置し、高温状態の触媒領域１３が反応器８の反対側に位置するようになる。このため、酸化触媒４では、反応器８の反対側の温度が反応器８側の温度よりも高くなる。

そこで、図６に示すように、酸化触媒４の下流側に位置するＤＰＦ５の前端面（上流側端面）５ａを断面テーパ状とするのが望ましい。具体的には、ＤＰＦ５の前端面５ａを、反応器８の反対側に対応する前端位置が反応器８側に対応する前端位置よりも酸化触媒４に近くなるように断面テーパ状に構成する。つまり、ＤＰＦ５において、反応器８の反対側に対応する側面が反応器８側に対応する側面よりも長くなる。これにより、高温状態の排気ガスが早くＤＰＦ５に流れ込むようになるので、ＤＰＦ５により煤を効果的に燃焼することができる。また、より高温となる反応器８の反対側に対応する側面を長くしたので、煤の捕集量を上昇させつつ、煤を均一に燃焼することができる。

なお、ＤＰＦ５において、反応器８の反対側に対応する前端位置が反応器８側に対応する前端位置よりも酸化触媒４に近くなるのであれば、ＤＰＦ５の前端面５ａの形状としては、特に断面テーパ状には限られず、例えば断面クランク状等でも良い。

以上、本発明に係る排気浄化装置の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、反応器８の形状を断面半リング状とし、酸化触媒４の触媒領域１３の形状を断面半円形状としたが、反応器８及び触媒領域１３の形状としては、特にそれに限られない。例えば、反応器８の形状を断面湾曲状とし、触媒領域１３の形状を断面扇状としても良い。要は、反応器８を排気管３の周囲の一部領域に配置すると共に、触媒領域１３の形状を反応器８の形状に応じたものとし、壁状領域１４を排気触媒４の周方向に触媒領域１３と隣り合うように設ければ良い。

また、上記実施形態は、ＤＰＦ５の上流側に設けられた酸化触媒４を反応器８により加熱するものであるが、本発明は、酸化触媒４以外の排気触媒、例えばＤＰＦ５の下流側に設けられたＳＣＲ６等を加熱するものにも適用可能である。

さらに、本発明は、ディーゼルエンジン２の排気系に限られず、ガソリンエンジンの排気系に設けられた排気触媒を加熱するものにも適用可能である。

１…排気浄化装置、２…ディーゼルエンジン、３…排気管（排気系）、４…酸化触媒（排気触媒）、５…ディーゼル排気微粒子除去フィルタ（ＤＰＦ）、８…反応器、９…貯蔵器（アンモニア供給手段）、１０…ＮＨ_３供給管（アンモニア供給手段）、１２…基材、１３…触媒領域（第１領域）、１４…壁状領域（第２領域）、１６…蓄熱材、１８…回転機構（駆動手段）、１９…モータ（駆動手段）、２３…温度センサ（温度検出手段）、２４…コントローラ（制御手段）。

Claims (5)

1. エンジンからの排気ガスを浄化する排気浄化装置において、
   前記エンジンと接続された排気管の内部に設けられた排気触媒と、
   アンモニアと化学反応して熱を発生させる蓄熱材を有し、前記排気触媒を加熱する反応器と、
   前記反応器に前記アンモニアを供給するアンモニア供給手段と、
   前記排気触媒を回転させる駆動手段とを備え、
   前記反応器は、前記排気管の周囲の一部領域に配置されており、
   前記排気触媒は、前記排気ガスが流れる第１領域と、前記排気触媒の周方向に前記第１領域と隣り合うように設けられ、前記排気ガスが流れない第２領域とを有することを特徴とする排気浄化装置。
2. 前記第１領域は、触媒物質を担持する格子状の基材からなり、
   前記第２領域は、壁状となっていることを特徴とする請求項１記載の排気浄化装置。
3. 前記排気触媒を通る前記排気ガスの温度を検出する温度検出手段と、
   前記温度検出手段により検出された前記排気ガスの温度が所定温度以上であるときに、前記第１領域が前記反応器側に位置する状態から前記第１領域が前記反応器の反対側に位置する状態となる量だけ前記排気触媒を回転させるように、前記駆動手段を制御する制御手段とを更に備えることを特徴とする請求項１または２記載の排気浄化装置。
4. 前記エンジンはディーゼルエンジンであり、
   前記排気触媒は酸化触媒であり、
   前記排気管における前記酸化触媒の下流側には、ディーゼル排気微粒子除去フィルタが配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の排気浄化装置。
5. 前記ディーゼル排気微粒子除去フィルタは、前記反応器の反対側に対応する前端位置が前記反応器側に対応する前端位置よりも前記酸化触媒に近くなるように構成されていることを特徴とする請求項４記載の排気浄化装置。

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