JP6005413B2

JP6005413B2 - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP6005413B2
Application number: JP2012136761A
Authority: JP
Inventors: 伸介今井
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2012-06-18
Filing date: 2012-06-18
Publication date: 2016-10-12
Anticipated expiration: 2032-06-18
Also published as: JP2014001664A

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、近年においては、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、該排気ガスの熱によって尿素水が次式により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。
［化１］
（ＮＨ₂）₂ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→２ＮＨ₃＋ＣＯ₂

尚、この種の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２００２−１６１７３２号公報

しかしながら、このような排気浄化装置にあっては、選択還元型触媒の温度が約２００℃程度まで上がらないと十分な触媒活性が得られないため、冷機始動時に選択還元型触媒の温度が約２００℃程度に達するまで尿素水の添加を実施することができず、この間にＮＯxが浄化されないまま排出されてＮＯx低減率が大幅に低下してしまうという問題があった。

因みに、このような冷機始動時にあっては、エンジンの暖機が優先されて排気ガス再循環（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation）も中止されるようになっているため、排気ガス再循環によりＮＯxを抑制することができないという事情もあった。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、選択還元型触媒等の後処理装置を従来より早期に昇温し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、排気管途中の後処理装置より上流に酸化触媒を備え、該酸化触媒に対し燃料を添加して該燃料が前記酸化触媒上で酸化反応した時の反応熱により前記後処理装置の昇温を図り得るようにした排気浄化装置であって、前記酸化触媒より上流の排気管に、燃料を排気管内に直噴する燃料添加手段と、燃料を反応性の高い改質ガスに分解して排気管内に導入する改質ガス添加手段とを備え、前記酸化触媒の温度が前記改質ガス添加手段からの改質ガスを酸化処理可能な活性下限温度を成す第一温度以上で且つ前記燃料添加手段からの添加燃料を酸化処理可能な活性下限温度を成す第二温度を下まわっている時に前記改質ガス添加手段による改質ガスの導入を実施し、前記酸化触媒の温度が前記第二温度以上となっている時には燃料添加手段による燃料の直噴を実施し得るように構成されており、
前記改質ガス添加手段が、改質ガスに着火するための着火手段と、改質ガスの燃焼を助勢する燃焼空気を導く燃焼空気供給管とを備え、酸化触媒の温度が第一温度を下まわっている時に改質ガス添加手段により改質ガスを生成し且つ該改質ガスに着火してバーナ燃焼を実施し得るように構成されていることを特徴とするものである。

而して、このようにすれば、酸化触媒の温度が添加燃料を酸化処理可能な第二温度を下まわっていても、該第二温度より低い第一温度に達した段階で改質ガス添加手段による改質ガスの導入が実施され、その下流に配置されている酸化触媒にて反応性の高い改質ガスが酸化処理され、その反応熱により前記酸化触媒が急速に昇温して第二温度に達し、これにより改質ガス添加手段による改質ガスの導入から燃料添加手段による燃料の排気管内への直噴に切り替わり、活性の上がった酸化触媒にて添加燃料が直接的に酸化処理され、その反応熱で加熱された排気ガスが更に下流の後処理装置を通過することで該後処理装置が従来より早期に昇温されることになる。
また、酸化触媒の温度が第一温度を下まわっていても、改質ガス添加手段により生成された改質ガスが着火手段により着火され且つ燃焼空気供給管により燃焼空気が供給されることでバーナ燃焼が実施されるので、該バーナ燃焼により酸化触媒が速やかに昇温されて第一温度に達することになる。

また、本発明においては、前記改質ガス添加手段が、燃料を反応性の高い改質ガスに分解する性質を備えた通気構造の改質触媒と、該改質触媒を収容して一端側を排気管内に開放したケーシングと、該ケーシングの他端側に接続されて改質ガスを一端側へ掃気するための搬送空気を導く搬送空気供給管と、前記ケーシングの他端側に接続されて燃料を前記改質触媒に供給する燃料供給管と、前記改質触媒を加熱する加熱手段とを備えていることが好ましい。

このように改質ガス添加手段を構成した場合、加熱手段により改質触媒を加熱して触媒活性を高めた上、該改質触媒に燃料供給管から燃料を供給し且つケーシングの他端側に搬送空気供給管から搬送空気を導くと、前記改質触媒にて燃料が反応性の高い改質ガスに分解されて搬送空気により排気管内に送り出されることになる。

上記した本発明の排気浄化装置によれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。

（Ｉ）本発明の請求項１、２に記載の発明によれば、酸化触媒の温度が添加燃料を酸化処理可能な第二温度を下まわっている時に、該第二温度より低い第一温度に達した段階から改質ガス添加手段による改質ガスの導入を実施し、該改質ガスを下流の酸化触媒で酸化処理させることにより該酸化触媒を反応熱で急速に昇温して第二温度まで到達させることができ、これ以降は、改質ガス添加手段による改質ガスの導入から燃料添加手段による燃料の排気管内への直噴に切り替えることによって、活性の上がった酸化触媒にて添加燃料を直接的に酸化処理することで燃料の発熱量を最大限に利用して排気ガスを加熱し、該排気ガスを更に下流の後処理装置を通過させることで該後処理装置を従来より早期に昇温させることができ、例えば、後処理装置が尿素水を還元剤とする選択還元型触媒である場合には、該選択還元型触媒を冷機始動時でも早期に活性化させて尿素水の添加を従来より早い段階から開始することができ、冷機始動時におけるＮＯx低減率の大幅な向上を図ることができ、また、後処理装置がパティキュレートフィルタである場合には、該パティキュレートフィルタを排気温度の低い運転条件下でも早期にパティキュレート（煤分）を燃焼除去し得る再生温度まで到達させることができ、パティキュレートフィルタの再生時間の大幅な短縮を図ることができる。

（ＩＩ）本発明の請求項１、２に記載の発明によれば、酸化触媒の温度が第一温度を下まわっている時に、改質ガス添加手段により生成された改質ガスに着火手段で着火することによりバーナ燃焼を実施することができ、該バーナ燃焼により酸化触媒を速やかに昇温して第一温度まで上げることができるので、改質ガス添加手段による改質ガスの導入の開始時期を早め、延いては燃料添加手段による燃料の排気管内への直噴への切り替え時期を早めることができるので、後処理装置をより一層速やかに昇温することができる。

本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。図１の改質ガス添加装置の詳細を示す断面図である。図１の例における酸化触媒の出口温度の時間的な推移を示すグラフである。本発明の別の形態例を示す概略図である。図４の例における酸化触媒の出口温度の時間的な推移を示すグラフである。

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、排気ガス１が流通する排気管２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３（後処理装置）が装備されており、該選択還元型触媒３の入側に、尿素水４を還元剤として添加する尿素水添加装置５が配置され、前記選択還元型触媒３の出側には、前記尿素水４から生成されて前記選択還元型触媒３で反応しないまま通過した余剰のアンモニアを酸化処理するアンモニア低減触媒６が装備されている。

また、前記尿素水添加装置５より上流側の排気管２には、排気ガス１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７（後処理装置）が装備されており、該パティキュレートフィルタ７の入側には、排気ガス１に添加された燃料８を酸化処理し得る酸化触媒９が装備されている。

そして、前記酸化触媒９より上流の排気管２に、燃料８を排気管２内に直噴する燃料添加装置１０と、燃料８を反応性の高い改質ガス１１に分解して排気管２内に導入する改質ガス添加装置１２とが備えられており、これら燃料添加装置１０と改質ガス添加装置１２及び前記尿素水添加装置５の作動は制御装置１３により制御信号１３ａを介して制御されるようになっている。

尚、図１中における制御信号１３ａは説明の便宜上から燃料添加装置１０と改質ガス添加装置１２及び尿素水添加装置５の夫々に向かって直接的に延びているが、実際には、これらの作動を担う機器類への電気信号として出力されることは勿論である。

ここで、前記酸化触媒９の出側には、該酸化触媒９の温度の代用値として排気ガス１の温度を検出する温度センサ１４が配置されていると共に、前記選択還元型触媒３の入側には、該選択還元型触媒３の温度の代用値として排気ガス１の温度を検出する温度センサ１５が配置されており、これらの温度センサ１４，１５の検出信号１４ａ，１５ａが前記制御装置１３に入力されるようになっている。

前記制御装置１３においては、前記温度センサ１４，１５の検出信号１４ａ，１５ａに基づいて、前記酸化触媒９の温度が前記改質ガス添加装置１２からの改質ガス１１を酸化処理可能な活性下限温度を成す第一温度（約８０℃程度）以上で且つ前記燃料添加装置１０からの添加燃料８を酸化処理可能な活性下限温度を成す第二温度（約２００℃程度）を下まわっている時に前記改質ガス添加装置１２による改質ガス１１の導入を実施し、前記酸化触媒９の温度が前記第二温度以上となっている時には燃料添加装置１０による燃料８の直噴を実施し得るようにしてある。

また、図２を用いて前記改質ガス添加装置１２の具体的な構造につき補足しておくと、この改質ガス添加装置１２は、燃料８をＨ₂とＣＯに分解する性質を備えた通気構造の改質触媒１６と、該改質触媒１６を収容して一端側を排気管２内に開放したケーシング１７と、該ケーシング１７の他端側に接続されて改質ガス１１を一端側へ掃気するための搬送空気１８を導く搬送空気供給管１９と、前記ケーシング１７の他端側に接続されて燃料８を前記改質触媒１６に供給する燃料供給管２０と、前記改質触媒１６を加熱するグロープラグ２１（加熱手段）とを備えて構成されている。

ここで、前記通気構造の改質触媒１６は、例えば、金属メッシュに触媒原料をコーティングして構成することが可能であり、ここに適宜数のグロープラグ２１をケーシング１７の他端側から挿し込むようにして配置し、前記各グロープラグ２１に対し通電して発熱させることで前記改質触媒１６を昇温し得るようになっている。

斯かる改質ガス添加装置１２で排気管２内に改質ガス１１を導入するにあたっては、グロープラグ２１により改質触媒１６を加熱して触媒活性を高めた上、該改質触媒１６に燃料供給管２０から燃料８を供給し且つケーシング１７の他端側に搬送空気供給管１９から搬送空気１８を導くと、前記改質触媒１６にて燃料８が反応性の高い改質ガス１１に分解されて搬送空気１８により排気管２内に送り出されることになる。

而して、このように排気浄化装置を構成すれば、図３のグラフ中に曲線Ａで示す通り、酸化触媒９の温度が添加燃料８を酸化処理可能な第二温度（約２００℃程度）を下まわっていても、該第二温度より低い第一温度（約８０℃程度）に達した段階Ｔ₁で改質ガス添加装置１２による改質ガス１１の導入が実施され、その下流に配置されている酸化触媒９にて反応性の高い改質ガス１１が酸化処理され、その反応熱により前記酸化触媒９が急速に昇温して第二温度に達し、この段階Ｔ₂で改質ガス添加装置１２による改質ガス１１の導入から燃料添加装置１０による燃料８の排気管２内への直噴に切り替わり、活性の上がった酸化触媒９にて添加燃料８が直接的に酸化処理され、その反応熱で加熱された排気ガス１が更に下流の選択還元型触媒３を通過することで該選択還元型触媒３が従来より早期に昇温されることになる（改質ガス１１の先行導入がなければ曲線Ｂのように前記段階Ｔ₂より遅い段階Ｔ₃まで燃料８の添加を開始できない）。

従って、本形態例によれば、酸化触媒９の温度が添加燃料８を酸化処理可能な第二温度を下まわっている時に、該第二温度より低い第一温度に達した段階から改質ガス添加装置１２による改質ガス１１の導入を実施し、該改質ガス１１を下流の酸化触媒９で酸化処理させることにより該酸化触媒９を反応熱で急速に昇温して第二温度まで到達させることができ、これ以降は、改質ガス添加装置１２による改質ガス１１の導入から燃料添加装置１０による燃料８の排気管２内への直噴に切り替えることによって、活性の上がった酸化触媒９にて添加燃料８を直接的に酸化処理することで燃料８の発熱量を最大限に利用して排気ガス１を加熱し、該排気ガス１を更に下流の選択還元型触媒３を通過させることで該選択還元型触媒３を従来より早期に昇温させることができ、該選択還元型触媒３を冷機始動時でも早期に活性化させて尿素水４の添加を従来より早い段階から開始することができ、冷機始動時におけるＮＯx低減率の大幅な向上を図ることができる。

ここで、補足して説明しておくと、燃料８は改質触媒１６で改質ガス１１に分解されることで既にエネルギーロスを生じてしまうので、改質ガス添加装置１２による改質ガス１１の導入だけで選択還元型触媒３の昇温を図るのは効率が悪く、できるだけ早く燃料添加装置１０による燃料８の排気管２内への直噴に切り替えて燃料８の発熱量を最大限に利用することが重要である。

また、ここに図示している例では、選択還元型触媒３の上流側にパティキュレートフィルタ７が備えられているが、該パティキュレートフィルタ７の強制再生を行う際にも、前述の燃料添加装置１０と改質ガス添加装置１２の切り替え制御を流用することによって、パティキュレートフィルタ７を排気温度の低い運転条件下でも早期にパティキュレート（煤分）を燃焼除去し得る再生温度まで到達させることができ、パティキュレートフィルタ７の再生時間の大幅な短縮を図ることができる。

尚、パティキュレートフィルタ７の強制再生を行うに際しては、図示しないエンジンにおいて、圧縮上死点付近で行われる燃料の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追加することで排気ガス１中に燃料を添加するのが一般的で、ポスト噴射が使用できる温度になるまで時間がかかるという課題や、エンジン側と独立して燃料添加量を制御することができないために温度コントロールが難しいという課題があったが、これらの課題を払拭できるというメリットもある。

また、図４は本発明の別の形態例を示すもので、本形態例においては、改質ガス添加装置１２に、改質ガス１１に着火するための着火手段としてグロープラグ２２をケーシング１７の一端側のガス出口部１７ａに配置すると共に、改質ガス１１の燃焼を助勢する燃焼空気２３を導く燃焼空気供給管２４を前記ケーシング１７内におけるグロープラグ２２の直前位置に接続した構成を採用しており、前述の燃料添加装置１０と改質ガス添加装置１２の切り替え制御に加え、酸化触媒９の温度が第一温度を下まわっている時に改質ガス添加装置１２により改質ガス１１を生成し且つ該改質ガス１１に着火してバーナ燃焼を実施し得るようになっている。

このように改質ガス添加装置１２を構成した場合、酸化触媒９の温度が第一温度を下まわっていても、図５のグラフ中に曲線Ａ’で示す通り、改質ガス添加装置１２により生成された改質ガス１１がグロープラグ２２により着火され且つ燃焼空気供給管２４により燃焼空気２３が供給されることでバーナ燃焼が実施されるので、該バーナ燃焼により酸化触媒９が速やかに昇温されて第一温度に達し、先の図１〜図３の形態例における段階Ｔ₁（図３参照）より早い段階Ｔ₁’から改質ガス添加装置１２による改質ガス１１の導入が開始され、先の図１〜図３の形態例における段階Ｔ₂（図３参照）より早い段階Ｔ₂’から燃料添加装置１０による燃料８の排気管２内への直噴が開始されることになる（バーナ燃焼の実施がなく且つ改質ガス１１の先行導入もなければ曲線Ｂのように前記段階Ｔ₂’より遅い段階Ｔ₃まで燃料８の添加を開始できない）。

従って、本形態例によれば、酸化触媒９の温度が第一温度を下まわっている時に、改質ガス添加装置１２により生成された改質ガス１１に着火手段で着火することによりバーナ燃焼を実施することができ、該バーナ燃焼により酸化触媒９を速やかに昇温して第一温度まで上げることができるので、改質ガス添加装置１２による改質ガス１１の導入の開始時期を早め、延いては燃料添加装置１０による燃料８の排気管２内への直噴への切り替え時期を早めることができるので、選択還元型触媒３をより一層速やかに昇温して更に早期な活性化を図ることができ、冷機始動時におけるＮＯx低減率の更なる向上を図ることができる。

また、パティキュレートフィルタ７を強制再生するにあたっても、該パティキュレートフィルタ７をより一層速やかに昇温して更に早期にパティキュレート（煤分）を燃焼除去し得る再生温度まで到達させることができ、パティキュレートフィルタ７の再生時間の更に大幅な短縮を図ることができる。

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。

２排気管
３選択還元型触媒（後処理装置）
７パティキュレートフィルタ（後処理装置）
８燃料
９酸化触媒
１０燃料添加装置（燃料添加手段）
１１改質ガス
１２改質ガス添加装置（改質ガス添加手段）
１６改質触媒
１７ケーシング
１８搬送空気
１９搬送空気供給管
２０燃料供給管
２１グロープラグ（加熱手段）
２２グロープラグ（着火手段）
２３燃焼空気
２４燃焼空気供給管

Claims

排気管途中の後処理装置より上流に酸化触媒を備え、該酸化触媒に対し燃料を添加して該燃料が前記酸化触媒上で酸化反応した時の反応熱により前記後処理装置の昇温を図り得るようにした排気浄化装置であって、前記酸化触媒より上流の排気管に、燃料を排気管内に直噴する燃料添加手段と、燃料を反応性の高い改質ガスに分解して排気管内に導入する改質ガス添加手段とを備え、前記酸化触媒の温度が前記改質ガス添加手段からの改質ガスを酸化処理可能な活性下限温度を成す第一温度以上で且つ前記燃料添加手段からの添加燃料を酸化処理可能な活性下限温度を成す第二温度を下まわっている時に前記改質ガス添加手段による改質ガスの導入を実施し、前記酸化触媒の温度が前記第二温度以上となっている時には燃料添加手段による燃料の直噴を実施し得るように構成されており、
前記改質ガス添加手段が、改質ガスに着火するための着火手段と、改質ガスの燃焼を助勢する燃焼空気を導く燃焼空気供給管とを備え、酸化触媒の温度が第一温度を下まわっている時に改質ガス添加手段により改質ガスを生成し且つ該改質ガスに着火してバーナ燃焼を実施し得るように構成されていることを特徴とする排気浄化装置。
前記改質ガス添加手段が、燃料を反応性の高い改質ガスに分解する性質を備えた通気構造の改質触媒と、該改質触媒を収容して一端側を排気管内に開放したケーシングと、該ケーシングの他端側に接続されて改質ガスを一端側へ掃気するための搬送空気を導く搬送空気供給管と、前記ケーシングの他端側に接続されて燃料を前記改質触媒に供給する燃料供給管と、前記改質触媒を加熱する加熱手段とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。