JP6020105B2

JP6020105B2 - ディーゼルエンジンの排気ガス浄化方法及び排気ガス浄化システム

Info

Publication number: JP6020105B2
Application number: JP2012267839A
Authority: JP
Inventors: 健二塩谷; 弘吉前川
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2012-12-07
Filing date: 2012-12-07
Publication date: 2016-11-02
Anticipated expiration: 2032-12-07
Also published as: JP2014114714A

Description

本発明は、ディーゼルエンジンの排気ガス浄化方法及び排気ガス浄化システムに関し、更に詳しくは、ＮＯｘ浄化効率及びＳＣＲ触媒の耐久性を向上することができるディーゼルエンジンの排気ガス浄化方法及び排気ガス浄化システムに関する。

ディーゼルエンジンを搭載した車両から排出される排気ガス中には、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、排出規制値が設定されており、その値は厳しさを増している。この排出規制値を達成するために、燃料の噴射方法、排気ガス再循環（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation）などの燃焼システムの改良や、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）、尿素水及び選択還元型触媒（ＳＣＲ：Selective Catalytic Reduction）を用いた尿素ＳＣＲシステムなどの後処理システムの導入がなされている。

これらのうち尿素ＳＣＲシステムは、尿素水が加水分解して生じたアンモニア（ＮＨ₃）を、ＳＣＲ触媒の存在下で還元剤として作用させて、排気ガス中のＮＯｘを無害な窒素に還元するものである。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いる（例えば、特許文献１を参照）。

尿素ＳＣＲシステムにおける還元剤である尿素水は、排気管内を流れる排気ガス中にインジェクターから高圧噴射される。そのため、（１）尿素水から尿素が析出してインジェクターを閉塞させる。（２）排気ガス中での尿素水の拡散性が低いため、ＳＣＲ触媒での還元反応の低下や気化しない尿素水のＳＣＲ触媒上への付着を招く。（３）排気管内及びＳＣＲ触媒上で尿素由来の難分解性化合物が析出する。などの問題点が指摘されている。

上記の問題点（１）及び（３）は、尿素ＳＣＲシステムにおけるＮＯｘ浄化効率を低下させる原因となる。また、問題点（２）におけるＳＣＲ触媒での還元反応の低下は、ＮＯｘ浄化効率の低下を招く一方で、尿素水のＳＣＲ触媒上への付着は、ＳＣＲ触媒の耐久性を劣化させる原因となる。

そのため、これらの問題点を解消した尿素ＳＣＲシステムを用いたディーゼルエンジンの排気ガス浄化方法及び排気ガス浄化システムの実現が求められている。

特開２００８−１９８２０号公報

本発明の目的は、ＮＯｘ浄化効率及びＳＣＲ触媒の耐久性を向上することができるディーゼルエンジンの排気ガス浄化方法及び排気ガス浄化システム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気ガス浄化方法は、ディーゼルエンジンの排気ガスを、前段にＤＯＣが配置されたＤＰＦを格納するＤＰＦコンバータを通過させ、前記ＤＰＦコンバータを通過した排気ガス中に尿素水を供給し、前記供給された尿素水を還元剤として前記排気ガスに含まれるＮＯｘをＳＣＲ触媒で浄化するディーゼルエンジンの排気ガス浄化方法において、前記尿素水を微粒化し、前記微粒化された尿素水を前記ＤＰＦコンバータの外面で加熱し、前記加熱された尿素水を前記ＤＰＦコンバータを通過した排気ガス中に供給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気ガス浄化方法においては、尿素水を粒径が１０ｎｍ以上かつ１０μｍ未満である液滴粒子に微粒化することが望ましい。

また、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気ガス浄化システムは、ディーゼルエンジンの排気管に、前段にＤＯＣが配置されたＤＰＦを格納するＤＰＦコンバータと、尿素水を前記排気管内に供給する尿素水供給手段と、ＳＣＲ触媒とを上流側から順に介設してなるディーゼルエンジンの排気ガス浄化システムにおいて、前記尿素水供給手段を、順に接続された前記尿素水の貯留タンクと、アトマイザーと、前記ＤＰＦコンバータを外囲する外管と、前記排気管に挿入された尿素水供給管とから構成したことを特徴とするものである。

本発明のディーゼルエンジンの排気ガス浄化方法及び排気ガス浄化システムによれば、尿素水を微粒化しＤＰＦコンバータの発熱を利用して加熱してから排気ガス中に供給するようにしたので、インジェクターを用いる必要がなく、かつ尿素水が排気ガスと直ちに均一に混合して拡散し、そのほとんどが分解するため、排気ガスのＮＯｘ浄化効率及びＳＣＲ触媒の耐久性を向上することができる。

本発明の実施形態からなるディーゼルエンジンの排気ガス浄化システムの構成図である。図１に示すＸ−Ｘ矢視の断面図である。

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、本発明の実施形態からなるディーゼルエンジンの排気ガス浄化システムを示す。

このディーゼルエンジンの排気ガス浄化システム（以下、「排気ガス浄化システム」という。）は、ディーゼルエンジンの排気ガスＧが流れる排気管１に上流側から順に介設された、前段にＤＯＣ２が配置された連続再生式のＤＰＦ３を格納する円筒形のＤＰＦコンバータ４と、ＳＣＲ触媒５が格納された円筒形のＳＣＲコンバータ６と備えている。また、ＳＣＲコンバータ６の入口側の排気管１には、排気管１内に尿素水を供給する尿素水供給手段７が設置されている。

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持体に、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、連続再生式の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触媒５は、ハニカム構造等の担体に、チタニア−バナジア、β型ゼオライト、酸化クロム、酸化マンガン、酸化モリブデン、酸化チタンや酸化タングステンなどを担持して形成される。

この排気ガス浄化システムの機能は次のようになる。ディーゼルエンジンから排出された排気ガスＧは、ＤＰＦコンバータ４へ流入すると、前段のＤＯＣ２において炭化水素（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）が分解除去されてから、ＤＰＦ３においてＰＭが捕集除去される。そして、この排気ガスＧは、ＤＰＦコンバータ４から流出すると、尿素水供給手段７から供給された尿素水が加水分解して生成したＮＨ₃を同伴してＳＣＲコンバータ６へ流入し、ＳＣＲ触媒５においてＮＨ₃の還元作用によりＮＯｘが浄化される。

また、ＤＰＦ３におけるＰＭによるフィルタの目詰まりを防ぐために、捕集限界量に達する前にＰＭを燃焼させて除去する必要がある。排気ガスＧの温度が高温であるときには、ＰＭは連続的に自然燃焼するが、低温であるときには、排気ガスＧ中に燃料の未燃ＨＣなどを供給してＤＯＣ２で燃焼させ、その酸化反応熱を利用して、ＤＰＦ３に堆積するＰＭを強制的に燃焼させるＰＭ再生が行われる。

このような排気ガス浄化システムにおいて、上記の尿素水供給手段７は、尿素水の貯留タンク８と、尿素水を微粒化するアトマイザー９と、微粒化された尿素水を一時貯蔵するバッファー１０と、ＤＰＦコンバータ４を外囲する外管１１と、排気管１に挿入された尿素水供給管１２とを、上流側から順に接続することで主に構成されている。

アトマイザー９における尿素水の微粒化は、エアタンク１３から供給される圧縮空気を用いて行われる。例えば、約２５０ｋＰａの圧縮空気を用いると、粒径が０．３μｍの液滴粒子を１０⁶個／ｃｍ³の密度で発生させることが可能である。

バッファー１０は小型のタンクから構成され、エアタンク１３からエア供給バルブ１４を通じて供給される圧縮空気によりその内圧が調整される。このバッファー１０に一時貯蔵される尿素水の液滴粒子の量、逆に言えばバッファー１０から下流の外管１１及び尿素水供給管１２に送られる尿素水の液滴粒子の量は、バッファー１０の出入口に設けられた入口バルブ１５及び出口バルブ１６、並びにエア供給バルブ１４の開度をそれぞれ制御することにより決定される。

外管１１は、図２に示すように、ＤＰＦコンバータ４におけるＤＯＣ２及びＤＰＦ３の格納部分の少なくとも一部を外囲するようにスペーサ１７を介して設置されており、ＤＰＦコンバータ４の外壁４ａを内管とする二重管構造を構成している。

バッファー１０から送られた尿素水の液滴粒子は、ＤＰＦコンバータ４の上流側に位置する外管１１の入口から流入し、外管１１とＤＰＦコンバータ４との間を通過した後に、尿素水供給管１２を通じて排気管１内に供給される。なお、外管１１とＤＰＦコンバータ４との間を尿素水の液滴粒子が周方向に均一に通過するように、外管１１内に複数の隔壁を設けることが好ましい。

更に、ＤＰＦコンバータ４の入口側の排気管１にはＤＰＦコンバータ４に流入する排気ガスＧの流量を測定する流量センサ１８が、ＳＣＲコンバータ６の出口側の排気管１にはＳＣＲコンバータ６から流出する排気ガスＧ中のＮＯｘ濃度を測定するＮＯｘ濃度センサ１９が、それぞれ設置されている。

これらの流量センサ１８及びＮＯｘ濃度センサ１９、並びに上記の入口バルブ１５、出口バルブ１６及びエア供給バルブ１４は、それぞれ信号線（一点鎖線で示す）によりＥＣＵ２０に接続されている。

このように構成された尿素水供給手段を備えた排気ガス浄化システムにおける排気ガスＧの浄化方法を以下に説明する。

ＤＰＦコンバータ４から流出した排気ガスＧには、尿素水供給手段７から尿素水が供給される。この尿素水供給手段７においては、貯留タンク８から供給された尿素水は、アトマイザー９において、粒径が数十ｎｍ〜数μｍの液滴粒子に微粒化されることでガスと同様の挙動を示すようになる。この微粒化された尿素水はバッファー１０で一時貯蔵され、ＥＣＵ２０が流量センサ１８のデータ及び／又はＮＯｘ濃度センサ１９のデータに基づいて決定した必要量が外管１１へ送られる。

外管１１に流入した尿素水の液滴粒子は、外管１１内を通過する間にＤＰＦコンバータ４が発生する熱によりＤＦＰコンバータ４の外面を通じて加熱される。このＤＦＰコンバータ４の発熱は、排気ガスＧの保有熱、並びにＤＰＦ３におけるＰＭの自然燃焼による発熱及び／又はＤＯＣ２の酸化反応熱によりもたらされる。また、外管１１内を通過する微粒化された尿素水は、液滴粒子の体積（質量）に対する表面積が大きくなっているため、ＤＰＦコンバータ４からの熱を受けて更に微粒化される。ＤＰＦコンバータ４の温度が高い場合、例えばＤＯＣ２が触媒活性温度（約１５０℃以上）に達している場合には、尿素水の少なくとも一部は熱分解を起こしてＮＨ₃を生成しガス化する。

そして、尿素水は外管１１内を通過後に、尿素水供給管１２を通じて排気管１内を流れる排気ガスＧ中へ供給されるが、このときの尿素水はガスと同様の挙動をとるようになる。そのため、尿素水は、排気ガスＧと混合すると直ちに均一に拡散して排気ガスＧの熱を受けやすくなるので、ほとんどの尿素水が分解してＮＨ₃を生成するとともに、その生成されたＮＨ₃が均一に拡散した状態でＳＣＲコンバータ６へ流入する。

このように、尿素水をあらかじめ微粒化するため、尿素水を排気ガスＧ中に供給する際にインジェクターを用いる必要がない。また、排気ガスＧ中に供給された尿素水のほとんどが分解するので、難分解性化合物が析出することがなく、かつ尿素水がＳＣＲ触媒５上に付着することはない。更に、排気ガスＧ中に供給された尿素水は、ガスと同様の挙動をとるため、排気ガスＧと直ちに均一に混合して拡散する。それらの結果として、ＮＯｘ浄化効率及びＳＣＲ触媒の耐久性を向上することができるのである。

上記の尿素水供給手段では、尿素水はアトマイザー９において粒径が数十ｎｍ〜数μｍ（例えば、１０ｎｍ以上かつ１０μｍ未満）である液滴粒子に微粒化されることが望ましい。液滴粒子の粒径が１０ｎｍ未満であるとガスと同様の挙動をとる尿素水の気密に掛かる製造コストが過大に増加し、１０μｍ以上であると尿素水がガスと同様の挙動をとらなくなる。

１排気管
２ＤＯＣ
３ＤＰＦ
４ＤＰＦコンバータ
５ＳＣＲ触媒
７尿素水供給手段
８貯留タンク
９アトマイザー
１０バッファー
１１外管
１２尿素水供給管
１８流量センサ
１９ＮＯｘ濃度センサ
２０ＥＣＵ

Claims

ディーゼルエンジンの排気ガスを、前段にＤＯＣが配置されたＤＰＦを格納するＤＰＦコンバータを通過させ、前記ＤＰＦコンバータを通過した排気ガス中に尿素水を供給し、前記供給された尿素水を還元剤として前記排気ガスに含まれるＮＯｘをＳＣＲ触媒で浄化するディーゼルエンジンの排気ガス浄化方法において、
前記尿素水を微粒化し、前記微粒化された尿素水を前記ＤＰＦコンバータの外面で加熱し、前記加熱された尿素水を前記ＤＰＦコンバータを通過した排気ガス中に供給することを特徴とするディーゼルエンジンの排気ガス浄化方法。
前記尿素水を、粒径が１０ｎｍ以上かつ１０μｍ未満である液滴粒子に微粒化する請求項１に記載のディーゼルエンジンの排気ガス浄化方法。
ディーゼルエンジンの排気管に、前段にＤＯＣが配置されたＤＰＦを格納するＤＰＦコンバータと、尿素水を前記排気管内に供給する尿素水供給手段と、ＳＣＲ触媒とを上流側から順に介設してなるディーゼルエンジンの排気ガス浄化システムにおいて、
前記尿素水供給手段を、順に接続された前記尿素水の貯留タンクと、アトマイザーと、前記ＤＰＦコンバータを外囲する外管と、前記排気管に挿入された尿素水供給管とから構成したことを特徴とするディーゼルエンジンの排気ガス浄化システム。