JP5974823B2

JP5974823B2 - 排ガス浄化システム及び排ガス浄化方法

Info

Publication number: JP5974823B2
Application number: JP2012235539A
Authority: JP
Inventors: 弘吉前川
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2012-10-25
Filing date: 2012-10-25
Publication date: 2016-08-23
Anticipated expiration: 2032-10-25
Also published as: JP2014084822A

Description

本発明は排ガス浄化システム及び排ガス浄化方法に関し、更に詳しくは、ＳＣＲにおけるＮＯｘの浄化性能を、従来よりも広い温度範囲で向上することができる排ガス浄化システム及び排ガス浄化方法を提供する。

ディーゼルエンジンの排ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ：Nitrogen Oxide）を無害化する装置の１つとして、尿素水と選択還元型触媒（ＳＣＲ：Selective Catalytic Reduction）とを用いた尿素ＳＣＲシステムが実用化されている。この尿素ＳＣＲシステム用の触媒としては、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（又はアルミノホスフェート）などのゼオライト系触媒が一般的に用いられている。このゼオライト系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がＳＣＲコンバータとして使用される。

しかしながら、上記のゼオライト触媒は、低温（例えば、約１６０℃）におけるＮＯｘ浄化能力が充分ではないため、エンジン始動直後などの低温時においては、エンジンから排出されたＮＯｘの大部分が浄化されずに大気中に放出されてしまうおそれがある。このような低温時におけるＮＯｘ排出を抑制するためには、触媒の低温時のＮＯｘ浄化能力を高めるか、あるいはＮＯｘ吸着剤を用いてＮＯｘを保持するなどの方策が必要となる。前者の低温時のＮＯｘ浄化能力の改善については、低温活性の高い銅ゼオライト系触媒を用いることが考えられるが、４００〜４５０℃以上の高温ではＮＯｘ浄化能力が著しく低下するという欠点があった。

このようにゼオライト触媒が過度に昇温されることは、尿素ＳＣＲシステムの構造に起因する。つまり、従来の尿素ＳＣＲシステムでは、排ガスが直接当たる部位がＳＣＲコンバータの中央部分に集中するので、外周部分に比べて中央部分が昇温されやすくなるため、径方向に１００℃前後の温度差が生じる。従って、エンジン稼働後の高温時においては、図５に示すように、ＳＣＲコンバータの中央部分が過度に昇温されて外周部分よりも高温になって、ゼオライト系触媒の有効範囲を大きく逸脱して、ＮＯｘ浄化能力が著しく低下することになる。

低温時から高温時にかけてＳＣＲコンバータのＮＯｘ浄化能力を向上するには、例えば特許文献１のように、低温活性の高い触媒と高温活性の高い触媒とを直列に組み合わせてＳＣＲコンバータを構成することが考えられる。しかしながら、そのような構成では、上述したようなＳＣＲコンバータの径方向の温度差に起因するＮＯｘ浄化能力の低下を抑制することはできないため、ＮＯｘ浄化能力を向上できる温度範囲は限定されてしまう。

特表２０１１−５１８６５８号公報

本発明の目的は、ＳＣＲにおけるＮＯｘの浄化性能を、従来よりも広い温度範囲で向上することができる排ガス浄化システム及び排ガス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排ガス浄化システムは、ディーゼルエンジンの排ガスの管路に介設されたＳＣＲコンバータを備えた排ガス浄化システムにおいて、前記ＳＣＲコンバータの径方向の内側部分を銅ゼオライト系触媒で、外側部分を鉄ゼオライト系触媒でそれぞれ構成するとともに、前記ＳＣＲコンバータの上流側の直前に、内管が該ＳＣＲコンバータの内側部分に、外管が該ＳＣＲコンバータの外側部分に、ぞれぞれ離間して対向する二重管を流路切替バルブを介して設置し、前記排ガスの温度及びＳＣＲコンバータの温度が予め設定した温度未満である場合には、前記流路切替バルブにより該排ガスの流路を前記内管のみに切り替える一方で、前記排ガスの温度及びＳＣＲコンバータの温度が予め設定した温度以上である場合には、前記流路切替バルブにより前記排ガスの流路を前記外管のみに切り替えることを特徴とするものである。

上記の排ガス浄化システムにおいては、予め設定した温度を１５０〜２５０℃の範囲内の温度値とする。

また、低温時及び高温時におけるＮＯｘ浄化性能を均一にするために、ＳＣＲコンバータの内側部分と外側部分との外径比を０．６５〜０．７５とすることが望ましい。

更に、ＳＣＲコンバータの外側部分にＮＯｘ吸着材を含有させることで、低温時におけるＮＯｘ浄化性能をより向上することができる。

上記の目的を達成する本発明の排ガス浄化方法は、ディーゼルエンジンの排ガスに含まれるＮＯｘを、尿素水を還元剤とするＳＣＲコンバータで浄化する排ガス浄化方法において、径方向の内側部分が銅ゼオライト系触媒で、外側部分が鉄ゼオライト系触媒でそれぞれ構成したＳＣＲコンバータを用いて、前記排ガスの温度及びＳＣＲコンバータの温度が予め設定した温度未満である場合には、前記排ガスに前記尿素水を噴霧した後に主に前記ＳＣＲコンバータの内側部分で前記ＮＯｘを浄化する一方で、前記排ガスの温度及びＳＣＲコンバータの温度が予め設定した温度以上である場合には、前記排ガスに尿素水を噴霧した後に主に前記ＳＣＲコンバータの外側部分で前記ＮＯｘを浄化することを特徴とするものである。

本発明の排ガス浄化システム及び排ガス浄化方法によれば、ディーゼルエンジンからの排ガス及びＳＣＲコンバータが低温時には、ＳＣＲコンバータの内側部分を構成する低温活性が高い銅ゼオライト系触媒に、二重管の内管のみを通じて排ガスを当てるようにする一方で、高温時には外側部分を構成する高温活性が高い鉄ゼオライト系触媒に、二重管の外管のみを通じて排ガスを当てるようにしたので、従来よりも広い温度範囲でＮＯｘの浄化性能を向上することができる。

本発明の実施形態からなる排ガス浄化システムの構成図である。図１においてＸ−Ｘで示す箇所の拡大断面図である。図１においてＹ−Ｙで示す箇所の拡大断面図である。実施例の実験結果を示すグラフである。ＳＣＲコンバータの温度分布とゼオライト系触媒の有効範囲と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１〜３は、本発明の実施形態からなる排ガス浄化システムを示す。

この排ガス浄化システムは、ディーゼルエンジンの排気ガスＧが流れる管路１に、上流側から直列に順に配置されたＤＯＣ２、ＤＰＦ３及びＳＣＲコンバータ４を備えている。

ＤＯＣ２は、排気ガスＧの混合機能を有する構造に成形した金属製の担体に、ロジウム、酸化セリウム、白金、酸化アルミニウム等を担持して形成される。また、ＤＰＦ３は、多孔質セラミック製のハニカムのチャンネル（セル）の入口と出口を交互に目封じしたモノリスハニカム型のウオールフローフィルタから形成される。

ＳＣＲコンバータ４は、コージェライトや酸化アルミニウムや酸化チタン等で形成されるハニカム構造等の担体に、ゼオライト触媒を担持して形成され、入口に設けられた尿素噴射ノズル５から供給された尿素水が加水分解されて生成したアンモニア（ＮＨ₃）を用いて排気ガスＧに含まれるＮＯｘを還元浄化する。

このような排ガス浄化システムにおいて、ＳＣＲコンバータ４の径方向の中央部分６は低温活性が高い触媒である銅ゼオライト系触媒から構成され、かつ外周部分７は高温活性が高い触媒である鉄ゼオライト系触媒から構成されている。更に、ＳＣＲコンバータ４の上流側の直前には、内管８の流路がＳＣＲコンバータ４の中央部分６に、外管９の流路がＳＣＲコンバータ４の外周部分７に、それぞれ離間して対向する二重管１０が、流路切替バルブ１１を介して設置されている。この流路切替バルブ１１は、管路１を流れる排ガスＧの流路を内管８又は外管９のいずれかに切り替えるものである。

更に、尿素噴射ノズル５の直前の上流側には、排ガスの温度を測定する排ガス温度センサ１２が設置されているとともに、ＳＣＲコンバータ４の後部には、ＳＣＲコンバータ４の出口温度を測定するＳＣＲ温度センサ１３が設置されている。なお、このＳＣＲ温度センサ１３は、ＳＣＲコンバータ４の温度を代用して示すものである。

上記の流路切替バルブ１１、排ガス温度センサ１２及びＳＣＲ温度センサ１３は、それぞれＥＣＵ１４に信号線（一点鎖線で示す）により電気的に接続されている。

このような排ガス処理システムを用いた排ガス浄化方法を、以下に説明する。

まず、エンジン始動時やアイドリング状態などで低負荷条件が続くなどして、排ガス温度センサ１２及びＳＣＲ温度センサ１３の測定値がともに予め定められた値（例えば、１５０〜２５０℃の範囲内の温度値）未満である場合には、ＥＣＵ１４は流路切替バルブ１１を制御して、管路１を流れる排ガスＧの流路を内管８のみにする。これにより、尿素水を噴射された排ガスＧの大部分がＳＣＲコンバータ４の中央部分６に流入し、低温活性が高い銅ゼオライト触媒によりＮＯｘの還元浄化が行われるので、低温時におけるＮＯｘの浄化性能が向上する。

このとき、排ガスＧは内管８のみを通過するので、二重管構造による保温効果により、排ガスＧをすみやかに昇温して比較的高温に維持することが可能となる。また、内管８から排出された排ガスＧの一部は、ＳＣＲコンバータ４の外周部分７にも流入するので、この外周部分７を構成する鉄ゼオライト触媒に、ＮＯｘ吸着材などのＮＯｘ吸着性能に優れた物質を混入しておくことで、低温時におけるＮＯｘの浄化性能を更に向上することができる。

エンジンの連続稼働などにより、排ガス温度センサ１２及びＳＣＲ温度センサ１３の測定値がともに予め定められた値以上となった場合には、ＥＣＵ１４は流路切替バルブ１１を制御して、管路１を流れる排ガスＧの流路を外管９のみとする。これにより、尿素水を噴射された排ガスＧの大部分がＳＣＲコンバータ４の外周部分７に流入し、高温活性が高い鉄ゼオライト触媒によりＮＯｘの還元浄化が行われるので、高温時におけるＮＯｘの浄化性能が向上する。

このとき、排ガスＧはともに放熱面積が大きい外管９及びＳＣＲコンバータ４の外周部分７を流れるので、鉄ゼオライト触媒が過度に昇温されるのを防止して、ＮＯｘの浄化性能の低下を抑制することが可能となる。更に、ＳＣＲコンバータ４の中央部分６には、排ガスＧの一部しか流入しないので昇温が抑制されるため、高温活性に乏しい銅ゼオライト触媒を高温時でも有効に活用することができる。

以上のようにして、ＳＣＲコンバータ４におけるＮＯｘの浄化性能を、従来よりも広い温度範囲で向上することができる。また、特許文献１の排ガス浄化装置に比べて、ＳＣＲコンバータ４の容積や重量を小さくすることができるため、車両への搭載性を向上することができる。

なお、上記の実施形態では、低温活性が高い触媒として銅ゼオライト系触媒を、高温活性が高い触媒として鉄ゼオライト触媒を、それぞれ用いているが、具体的な触媒はこれらに限るものではない。

低温時及び高温時におけるＮＯｘの浄化性能を均一にする観点から、ＳＣＲコンバータ４における中央部分６の銅ゼオライト系触媒の外径ｒと、外周部分７の鉄ゼオライト系触媒との外径Ｒとの比ｒ／Ｒは０．６５〜０．７５の範囲、より望ましくは０．７とするのがよい。

本発明の排ガス浄化システム（実施例）と、銅ゼオライト系触媒のみから構成されたＳＣＲコンバータを有する従来の排ガス浄化システム（比較例１）と、鉄ゼオライト系触媒のみから構成されたＳＣＲコンバータを有する従来の排ガス浄化システム（比較例２）における、同一仕様のディーゼルエンジンからの排ガスＧに対するＮＯｘ浄化率の温度変化を比較した実験結果を図４に示す。

この実験結果から、本発明の排ガス浄化システム（実施例）は、従来の排ガス浄化システム（比較例１、２）に比べて、広い温度範囲でＮＯｘの浄化性能が向上していることが分かる。

１管路
２ＤＯＣ
３ＤＰＦ
４ＳＣＲコンバータ
５尿素噴射ノズル
６中央部分
７外周部分
８内管
９外管
１０二重管
１１流路切替バルブ
１２排ガス温度センサ
１３ＳＣＲ温度センサ

Claims

ディーゼルエンジンの排ガスの管路に介設されたＳＣＲコンバータを備えた排ガス浄化システムにおいて、
前記ＳＣＲコンバータの径方向の内側部分を銅ゼオライト系触媒で、外側部分を鉄ゼオライト系触媒でそれぞれ構成するとともに、
前記ＳＣＲコンバータの上流側の直前に、内管が該ＳＣＲコンバータの内側部分に、外管が該ＳＣＲコンバータの外側部分に、ぞれぞれ離間して対向する二重管を流路切替バルブを介して設置し、
前記排ガスの温度及びＳＣＲコンバータの温度が予め設定した温度未満である場合には、前記流路切替バルブにより該排ガスの流路を前記内管のみに切り替える一方で、
前記排ガスの温度及びＳＣＲコンバータの温度が予め設定した温度以上である場合には、前記流路切替バルブにより前記排ガスの流路を前記外管のみに切り替えることを特徴とする排ガス浄化システム。
前記予め設定した温度が１５０〜２５０℃である請求項１に記載の排ガス浄化システム。
前記ＳＣＲコンバータの内側部分と外側部分との外径比が０．６５〜０．７５である請求項１又は２に記載の排ガス浄化システム。
前記ＳＣＲコンバータの外側部分がＮＯｘ吸着材を含有する請求項１〜３のいずれかに記載の排ガス浄化システム。
ディーゼルエンジンの排ガスに含まれるＮＯｘを、尿素水を還元剤とするＳＣＲコンバータで浄化する排ガス浄化方法において、
径方向の内側部分が銅ゼオライト系触媒で、外側部分が鉄ゼオライト系触媒でそれぞれ構成したＳＣＲコンバータを用いて、
前記排ガスの温度及びＳＣＲコンバータの温度が予め設定した温度未満である場合には、前記排ガスに前記尿素水を噴霧した後に主に前記ＳＣＲコンバータの内側部分で前記ＮＯｘを浄化する一方で、
前記排ガスの温度及びＳＣＲコンバータの温度が予め設定した温度以上である場合には、前記排ガスに尿素水を噴霧した後に主に前記ＳＣＲコンバータの外側部分で前記ＮＯｘを浄化することを特徴とする排ガス浄化方法。