JP5966263B2

JP5966263B2 - ディーゼルエンジンの排ガス浄化装置及び浄化方法

Info

Publication number: JP5966263B2
Application number: JP2011146363A
Authority: JP
Inventors: 弘吉前川
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2011-06-30
Publication date: 2016-08-10
Anticipated expiration: 2031-06-30
Also published as: JP2013015027A

Description

本発明は、ディーゼルエンジンの排ガス浄化装置及び浄化方法に関し、更に詳しくは、ディーゼルエンジンの排ガス中に含まれる窒素酸化物を、装置を大型化することなく広い温度範囲で効果的に浄化できるディーゼルエンジンの排ガス浄化装置及び浄化方法に関する。

車両や船舶に搭載されたディーゼルエンジンの排ガス中には、粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）や窒素酸化物（ＮＯｘ：Nitrogen Oxide）などの環境汚染や健康被害の原因となる物質が含まれている。そのため、これらの物質の大気中への放出を低減することを目的として、各種の排ガス浄化装置が用いられている。

前者のＰＭについては、セラミックス製のハニカム状多孔体のフィルタによりＰＭを捕集するＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）などが実用化されている。また、後者のＮＯｘについては、尿素水と選択還元型触媒（ＳＣＲ：Selective Catalytic Reduction）とを用いた尿素ＳＣＲシステムが、近年注目されている。

この尿素ＳＣＲは、尿素水が加水分解して生じたアンモニアを、ＳＣＲ触媒の存在下で還元剤として作用させるＳＣＲ反応により、排ガス中のＮＯｘを浄化するものである。ＳＣＲ触媒としては、鉄イオン交換アルミノシリケートなどのゼオライト触媒が広く用いられており、このゼオライト触媒を含むスラリーをセラミックハニカムなどの担体に塗布したもの、あるいはその成型体をＳＣＲコンバータとして排気管に装着して使用する。

しかし、上記のＳＣＲ触媒は、低温（例えば、約１５０℃）でのＮＯｘの浄化能力が十分ではないため、ディーゼルエンジンの始動直後においては、排気ガス中のＮＯｘの大部分が浄化されずに大気中に放出されてしまう。

このような問題を解決するため、排ガス中のＮＯｘを、低温域では吸着剤に吸着させ、高温になったときに吸着剤から脱離させてＳＣＲ触媒で還元する浄化装置が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

しかし、上記の特許文献１などの浄化装置では、従来のＳＣＲ触媒の上流側に吸着剤を追加しただけであるため、浄化装置が大型化してしまうという問題がある。このような問題を解決するためにＳＣＲ触媒等を小型化すると、高温で吸着剤から脱離したＮＯｘを十分に浄化できなくなるおそれがある。

特開２００３−２３６３４３号公報

本発明の目的は、ディーゼルエンジンの排ガス中に含まれる窒素酸化物を、装置を大型化することなく広い温度範囲で効果的に浄化できるディーゼルエンジンの排ガス浄化装置及び浄化方法を提供することにある。

上記の目的を達成する本発明のディーゼルエンジンの排ガス浄化装置は、ディーゼルエンジンの排気管に挿入された尿素水の噴射ノズルと、前記噴射ノズルの下流側の排気管に設置されたＳＣＲ触媒を有するコンバータとを備えたディーゼルエンジンの排ガス浄化装置において、前記コンバータ内の前記ＳＣＲ触媒の前半部に鉄シリケート触媒が使用され、後半部に前記鉄シリケート触媒にＮＯｘが吸着する温度範囲と重なる温度で還元反応を開始するアルミノシリケート触媒を使用することを特徴とするものである。

上記のディーゼルエンジンの排ガス浄化装置における鉄シリケート触媒には、ベータ型鉄シリケート触媒を用いることが好ましい。また、実用的な観点からは、アルミノシリケート触媒に対する鉄シリケート触媒の容量比は０．５〜１．５の範囲とするのがよい。

更に、コンバータのアルミノシリケート触媒に対応する表面に加熱ヒータを取り付けることで、ＮＯｘの浄化性能をより向上することができる。

本発明のディーゼルエンジンの排ガス浄化装置は、噴射ノズルとディーゼルエンジンとの間に、ＤＯＣ及びＤＰＦの少なくとも一方を配置したディーゼルエンジンの排ガス浄化システムの一部として好適に用いられる。

上記の目的を達成する本発明のディーゼルエンジンの排ガス浄化方法は、ディーゼルエンジンの排ガスに尿素水を噴射し、前記噴射された尿素水を高温で加水分解してアンモニアを生成し、前記排ガス中の窒素酸化物をコンバータ内のＳＣＲ触媒の存在下で前記アンモニアと反応させて還元するディーゼルエンジンの排ガス浄化方法において、
前記排ガスの温度が低温領域であるときには、前記尿素水を噴射された排ガス中の窒素酸化物の少なくとも一部を、前記コンバータ内の前記ＳＣＲ触媒の前半部に使用された鉄シリケート触媒で吸着するとともに、残余の前記窒素酸化物を前記アンモニア及び後半部に使用された前記鉄シリケート触媒にＮＯｘが吸着する温度範囲と重なる温度で還元反応を開始するアルミノシリケート触媒を用いて還元し、前記排ガスの温度が高温領域になったときには、前記鉄シリケート触媒から脱離した窒素酸化物と、前記排ガス中の窒素酸化物とを、前記アンモニア並びにアルミノシリケート触媒及び鉄シリケート触媒を用いて還元することを特徴とするものである。

上記のディーゼルエンジンの排ガス浄化方法においては、低温領域を５０〜１５０℃の温度範囲とし、高温領域を１５０℃超の温度範囲とすることが実用面から望ましい。

また、アルミノシリケート触媒をあらかじめ加熱することで、ＮＯｘの浄化性能を向上することができる。

本発明のディーゼルエンジンの排ガス浄化装置及び浄化方法によれば、ＳＣＲ触媒の上流側に鉄シリケート触媒を直列に挿入して、コンバータを一体的に構成するようにしたので、排ガスの温度が低温領域であるときは鉄シリケート触媒により窒素酸化物を吸着し、高温領域になったときには、ＳＣＲ触媒に加えて鉄シリケート触媒におけるＳＣＲ反応の触媒としての機能も用いてＳＣＲ反応により窒素酸化物を除去するため、装置を大型化することなく広い温度範囲で、排ガス中の窒素酸化物を効果的に浄化することができる。

本発明の第１の実施の形態からなるディーゼルエンジンの排ガス浄化装置の構成図である。本発明の第２の実施の形態からなるディーゼルエンジンの排ガス浄化装置の構成図である。図１のディーゼルエンジンの排ガス浄化装置における排ガスの温度と浄化率との関係を示すグラフである。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態からなるディーゼルエンジンの排ガス浄化装置を示す。

このディーゼルエンジンの排ガス浄化装置１Ａは、車両や船舶のディーゼルエンジン２に接続する排気管３の途中に装着された太径の紡錘形又は円筒形のＳＣＲコンバータ４と、そのＳＣＲコンバータ４の上流側の排気管３に設置された尿素水の噴射ノズル５とを備えている。

ＳＣＲコンバータ４は、従来と同じサイズであり、その内部における後半部にはアルミノシリケート触媒が配置されている。アルミノシリケート触媒としては、従来から用いられている鉄イオン交換アルミノシリケートや銅イオン交換アルミノシリケートなどが挙げられるが、特に後者の銅イオン交換アルミノシリケートは、低温活性が高いため好ましく用いられる。

そして、ＳＣＲコンバータ４の内部の前半部には、鉄シリケート触媒７が後半部のアルミノシリケート触媒と直列に密着するように挿入されて、アルミノシリケート触媒と共にＳＣＲコンバータ４を一体的に構成している。この鉄シリケート触媒７は、通常の鉄ゼオライトとは異なり、ゼオライト骨格内に鉄原子が含まれる構造を有している。そして、特に１５０℃以下となる低温領域におけるＮＯｘの吸着能力が高く、かつＳＣＲ反応の触媒としての機能も有している。このような鉄シリケート触媒７としては、ベータ型鉄シリケート触媒が好ましく例示される。

上記のＳＣＲ触媒６及び鉄シリケート触媒７は、それぞれの触媒６、７を含むスラリーをセラミックハニカムなどの担体に塗布した状態で、又はその成型体となった状態で使用される。

尿素水の噴射ノズル５は、先端部が排気管３内に位置するように外部から挿入され、タンク８に貯蔵された尿素水を排気管３内を通過する排ガスＧに向けて噴射する。

この排ガス浄化装置１Ａは、ディーゼルエンジン２と噴射ノズル５との間に、上流側から下流側へ向けて直列に配置された酸化触媒（ＤＯＣ：Diesel Oxidation Catalyst）９及びＤＰＦ１０と組み合わせることで、ディーゼルエンジン２の排ガス浄化システムを構成する。なお、排ガス浄化システムの構成は、これに限るものではなく、ＤＯＣ９及びＤＰＦ１０のいずれか一方のみを配置するようにしてもよい。また、排ガス浄化システムにおける噴射ノズル５の位置も、図１のようにＳＣＲコンバータ４の上流側の直前に限るものではなく、例えばＤＰＦ１０の上流側に配置するようにしてもよい。

このような排ガス浄化装置１Ａを用いた排ガス浄化方法は次のようになる。

ディーゼルエンジン２から排気された排ガスＧは、ＤＯＣ９において排ガスＧ中の酸素を用いて一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）及びＰＭに含まれる未燃焼物質（ＳＯＦ）が酸化除去される。次に、ＤＰＦ１０において排ガスＧ中からＰＭが除去される。

そして、噴射ノズル５から噴射された尿素水が加水分解して生成したアンモニアとともに、ＳＣＲコンバータ４内へ流入する。

ここでディーゼルエンジン２が始動直後で排ガスＧの温度が低温領域（例えば、約５０〜１５０℃）にある場合には、排ガスＧ中のＮＯｘの大部分はＳＣＲコンバータ４の前半部の鉄シリケート触媒７に吸着され保持される。このように排ガスＧの温度が低温領域であると、後半部のアルミノシリケート触媒でのアンモニアによるＮＯｘの還元反応が低下するが、鉄シリケート触媒７に吸着されたＮＯｘの残余分を処理するだけでよく、かつ鉄シリケート触媒７もＳＣＲ反応の触媒としての機能を有するため、ＳＣＲコンバータ４におけるＮＯｘの浄化性能が低下することはない。

そして、ディーゼルエンジン２が運転状態になり排ガスＧの温度が高温領域（例えば、約１５０℃超）になったときには、鉄シリケート触媒７に吸蔵されていたＮＯｘが脱離して、他の排ガスＧ中のＮＯｘとともにアルミノシリケート触媒においてアンモニアにより還元されて浄化される。このとき、アルミノシリケート触媒は、鉄シリケート触媒７と共に一体的にＳＣＲコンバータ４を構成しているため従来よりも容量が小さくなっている上に、鉄シリケート触媒７から脱離した分のＮＯｘも処理することになるが、鉄シリケート触媒７がＳＣＲ反応の触媒としての機能も有しているため、ＳＣＲコンバータ４におけるＮＯｘの浄化性能が低下することはない。

このようにして、従来と同じサイズのＳＣＲコンバータ４を用いて、低温領域から高温領域にかけて排ガスＧ中のＮＯｘの浄化を高い効率でおこなうことができるのである。

従って、ディーゼルエンジンの排ガス浄化装置１Ａが大型化することなく、広い温度範囲で排ガスＧ中のＮＯｘの浄化を効果的におこなうことができる。

図２は、本発明の第２の実施の形態からなるディーゼルエンジンの排ガス浄化装置を示す。

このディーゼルエンジンの排ガス浄化装置１Ｂは、図１のＳＣＲコンバータ４のアルミノシリケート触媒に対応する表面に加熱ヒータ１１を取り付けたものである。加熱ヒータ１１としては、図示しないバッテリー等を電源とする帯状の電気ヒータなどが好ましく例示される。

このような加熱ヒータ１１を用いて、あらかじめアルミノシリケート触媒を一定温度（例えば、約２００〜３００℃）で加熱しておくことで、アルミノシリケート触媒におけるＮＯｘの還元反応を促進することができる。

上記のいずれの実施形態においても、アルミノシリケート触媒と鉄シリケート触媒７とは同一の容量とするが、実用的な観点からはアルミノシリケート触媒に対する鉄シリケート触媒７の容量比は、０．５〜１．５の範囲とすることが望ましい。

図１に示すディーゼルエンジンの浄化装置１Ａにおいて、ベータ型鉄シリケート触媒と鉄イオン交換アルミノシリケート触媒とが同一容量であるＳＣＲコンバータ４を用いて、排ガスＧの温度を変化させた場合におけるＮＯｘの浄化率を測定し、その結果を図３に示した。

なお、ベータ型鉄シリケート触媒及び鉄イオン交換アルミノシリケート触媒には、Ｈ₂Ｏ：１０％、Ｏ₂：２０％、Ｎ₂ balanceのガス条件下で、７００℃で１０時間の水熱耐久処理を施した試料を用いた。それらの試料のＮＯｘ吸着量及びＮＯｘ全除去量を表１に示す。

図３から、排ガスの温度が約１５０℃以下では、鉄イオン交換アルミノシリケート触媒に比べてベータ型鉄シリケート触媒によるＮＯｘの吸着量が非常に大きくなるが、約１５０〜２００℃の温度領域では、ベータ型鉄シリケート触媒によってＮＯｘを吸着できなくなることが分かる。しかし、排ガスの温度が約１５０℃超となると、鉄イオン交換アルミノシリケート触媒での還元反応が開始されるため、ベータ型鉄シリケート触媒がＮＯｘを吸着できなくなる１５０〜２００℃の温度領域でもＮＯｘの浄化がおこなわれることが分かった。

このことから、ベータ型鉄シリケート触媒と鉄イオン交換アルミノシリケート触媒とを組み合わせることで、低温領域でのベータ型鉄シリケート触媒のＮＯｘ吸着性能と、高温領域での鉄イオン交換アルミノシリケート触媒のＮＯｘ浄化性能とが相補的に作用して、広い温度範囲で高効率にＮＯｘ浄化が可能になることが分かる。

１Ａ、１Ｂディーゼルエンジンの排ガス浄化装置
２ディーゼルエンジン
３排気管
４ＳＣＲコンバータ
５噴射ノズル
６ＳＣＲ触媒
７鉄シリケート触媒
８タンク
９酸化触媒
１０ＤＰＦ
１１加熱ヒータ

Claims

ディーゼルエンジンの排気管に挿入された尿素水の噴射ノズルと、前記噴射ノズルの下流側の排気管に設置されたＳＣＲ触媒を有するコンバータとを備えたディーゼルエンジンの排ガス浄化装置において、
前記コンバータ内の前記ＳＣＲ触媒の前半部に鉄シリケート触媒が使用され、後半部に前記鉄シリケート触媒にＮＯｘが吸着する温度範囲と重なる温度で還元反応を開始するアルミノシリケート触媒を使用することを特徴とするディーゼルエンジンの排ガス浄化装置。
前記鉄シリケート触媒が、ベータ型鉄シリケート触媒である請求項１に記載のディーゼルエンジンの排ガス浄化装置。
前記アルミノシリケート触媒に対する前記鉄シリケート触媒の容量比が０．５〜１．５である請求項１又は２に記載のディーゼルエンジンの排ガス浄化装置。
前記コンバータの前記アルミノシリケート触媒に対応する表面に加熱ヒータを取り付けた請求項１〜３のいずれかに記載のディーゼルエンジンの排ガス浄化装置。
請求項１〜４のいずれかに記載のディーゼルエンジンの排ガス浄化装置における前記噴射ノズルとディーゼルエンジンとの間に、ＤＯＣ及びＤＰＦの少なくとも一方を配置したディーゼルエンジンの排ガス浄化システム。
ディーゼルエンジンの排ガスに尿素水を噴射し、前記噴射された尿素水を高温で加水分解してアンモニアを生成し、前記排ガス中の窒素酸化物をコンバータ内のＳＣＲ触媒の存在下で前記アンモニアと反応させて還元するディーゼルエンジンの排ガス浄化方法において、
前記排ガスの温度が低温領域であるときには、前記尿素水を噴射された排ガス中の窒素酸化物の少なくとも一部を、前記コンバータ内の前記ＳＣＲ触媒の前半部に使用された鉄シリケート触媒で吸着するとともに、残余の前記窒素酸化物を前記アンモニア及び後半部に使用された前記鉄シリケート触媒にＮＯｘが吸着する温度範囲と重なる温度で還元反応を開始するアルミノシリケート触媒を用いて還元し、
前記排ガスの温度が高温領域になったときには、前記鉄シリケート触媒から脱離した窒素酸化物と、前記排ガス中の窒素酸化物とを、前記アンモニア並びにアルミノシリケート触媒及び鉄シリケート触媒を用いて還元することを特徴とするディーゼルエンジンの排ガス浄化方法。
前記低温領域が５０〜１５０℃の温度範囲であって、かつ前記高温領域が１５０℃超の温度範囲である請求項６に記載のディーゼルエンジンの排ガス浄化方法。
前記アルミノシリケート触媒をあらかじめ加熱する請求項６又は７のいずれかに記載のディーゼルエンジンの排ガス浄化方法。