JP2008291673A

JP2008291673A - エンジンの排気浄化装置

Info

Publication number: JP2008291673A
Application number: JP2007135653A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiko Masaki; 信彦正木; Masanobu Hirata; 公信平田; Masakazu Yano; 雅一矢野
Original assignee: UD Trucks Corp
Current assignee: UD Trucks Corp
Priority date: 2007-05-22
Filing date: 2007-05-22
Publication date: 2008-12-04

Abstract

【課題】触媒未活性時におけるＮＯｘ浄化率を向上させる。
【解決手段】排気通路に配設される触媒担体２０Ａに、排気上流から下流に向けて、触媒活性温度未満でＮＯｘを一時的に吸着するＮＯｘ吸着層２０Ｂと、還元剤の供給を受けてＮＯｘを選択還元反応により浄化する選択還元層２０Ｃと、をこの順番で交互かつ複数塗布すると共に、各ＮＯｘ吸着層２０ＢにおけるＮＯｘ吸着能力を、排気上流から下流に向かうにつれて徐々に弱くなるようにする。そして、触媒活性温度未満のときには、ＮＯｘ吸着層２０ＢでＮＯｘを吸着する一方、触媒活性温度以上のときには、排気中のＮＯｘに加え、ＮＯｘ吸着層２０Ｂから離脱したＮＯｘを還元浄化することで、触媒未活性時におけるＮＯｘ浄化率を向上させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、エンジンの排気浄化装置（以下「排気浄化装置」という）において、還元剤を用いて排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を選択的に還元浄化する技術に関する。

エンジン排気に含まれるＮＯｘを浄化する触媒浄化システムとして、特開２０００−２７６２７号公報（特許文献１）に記載された排気浄化装置が提案されている。かかる排気浄化装置は、排気通路に配設されたＮＯｘ還元触媒の排気上流に、エンジン運転状態に応じた還元剤又はその前駆体を噴射供給することで、排気中のＮＯｘと還元剤とを選択還元反応させて、ＮＯｘを無害物質に浄化処理するものである。
特開２０００−２７６２７号公報

しかしながら、排気温度が低温である状態が長時間持続すると、ＮＯｘ還元触媒の温度が活性温度以下まで低下するため、エンジン運転状態に応じて還元剤又はその前駆体を噴射供給しても、ＮＯｘ還元触媒におけるＮＯｘと還元剤との選択還元反応が十分行われず、所要のＮＯｘ浄化率が発揮できないおそれがある。
このため、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、排気通路に配設される触媒担体に、ＮＯｘを一時的に吸着するＮＯｘ吸着層と、還元剤を用いてＮＯｘを還元浄化する選択還元層と、を交互に複数塗布すると共に、ＮＯｘ吸着層におけるＮＯｘ吸着能力を適宜変化させることで、触媒未活性時におけるＮＯｘ浄化率を向上させた排気浄化装置を提供することを目的とする。

このため、請求項１記載の発明では、排気通路に配設される触媒担体に、排気上流から下流に向けて、触媒活性温度未満でＮＯｘを一時的に吸着するＮＯｘ吸着層と、還元剤の供給を受けてＮＯｘを選択還元反応により浄化する選択還元層と、をこの順番で交互かつ複数塗布すると共に、各ＮＯｘ吸着層におけるＮＯｘ吸着能力を、排気上流から下流に向かうにつれて徐々に弱くなるようにしたことを特徴とする。ここで、「触媒活性温度未満でＮＯｘを一時的に吸着する」とは、触媒活性温度未満のときにはＮＯｘを吸着する一方、触媒活性温度以上のときにはＮＯｘを離脱することを意味する。

請求項２記載の発明では、前記ＮＯｘ吸着層におけるＮＯｘ吸着能力は、前記触媒担体に対する基材の塗布密度により変化させていることを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、触媒活性温度未満のときには、排気中のＮＯｘは、排気最上流に位置するＮＯｘ吸着層に吸着される。ＮＯｘ吸着層におけるＮＯｘ吸着量が飽和状態に達すると、ＮＯｘは、ＮＯｘ吸着層を通過してその排気下流に位置する選択還元層へと供給される。選択還元層では、触媒活性温度未満であるため所要ＮＯｘ浄化率が発揮されないが、その温度に応じた活性によりＮＯｘの一部が還元剤を使用して還元浄化される。選択還元層を通過したＮＯｘは、その排気下流に位置するＮＯｘ吸着層へと供給され、飽和状態に達するまで吸着される。このとき、ＮＯｘ吸着層には、その排気上流に位置するＮＯｘ吸着層及び選択還元層で処理し切れなかったＮＯｘが供給されるので、ＮＯｘ吸着量が飽和状態に達するまである程度の時間を要し、その排気下流にＮＯｘが流れていくことを抑制できる。その後、その排気下流に位置する選択還元層で同様な処理が行われる。このため、触媒活性温度未満であっても大気中に放出されるＮＯｘが減少し、触媒未活性時におけるＮＯｘ浄化率を向上させることができる。また、ＮＯｘ吸着層におけるＮＯｘ吸着能力は、排気上流から下流に向かうにつれて徐々に弱くなっているので、排気中のＮＯｘ濃度に応じてＮＯｘを効率良く吸着することができる。一方、エンジン負荷の変化に伴って排気温度が上昇して触媒活性温度に達すると、ＮＯｘ吸着層に吸着されていたＮＯｘが離脱し、その排気下流に位置する選択還元層へと供給される。選択還元層では、触媒活性温度に達しているため、排気中のＮＯｘに加え、ＮＯｘ吸着層から離脱したＮＯｘが還元浄化される。

請求項２記載の発明によれば、触媒担体に対する基材の塗布密度を変化させることで、ＮＯｘ吸着層におけるＮＯｘ吸着能力を任意に変更することができる。

以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
図１は、還元剤前駆体たる尿素水溶液を使用し、エンジン排気に含まれるＮＯｘを選択還元反応により浄化する排気浄化装置の全体構成を示す。
エンジン１０の排気マニフォールド１２に接続される排気管１４には、排気流通方向に沿って、一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ₂）へと酸化させる窒素酸化触媒１６と、尿素水溶液を噴射供給する噴射ノズル１８と、尿素水溶液を加水分解して生成されるアンモニアを用いてＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ還元触媒２０と、ＮＯｘ還元触媒２０を通過したアンモニアを酸化させるアンモニア酸化触媒２２と、が夫々配設される。また、還元剤タンク２４に貯蔵される尿素水溶液は、その底部で吸込口が開口する供給配管２６を介して、ポンプ及び流量制御弁が内蔵された還元剤添加装置２８に供給される。

窒素酸化触媒１６及びアンモニア酸化触媒２２は、夫々、セラミックのコーディライトやＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系の耐熱鋼からなるモノリスタイプの触媒担体に、各酸化機能を発揮する白金Ｐｔなどの活性成分を塗布することで構成される。
ＮＯｘ還元触媒２０は、図２に示すように、セラミックのコーディライトやＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系の耐熱鋼からなるモノリスタイプの触媒担体２０Ａに、排気上流から下流に向けて、触媒活性温度未満でＮＯｘを一時的に吸着するＮＯｘ吸着層２０Ｂと、アンモニアの供給を受けてＮＯｘを選択還元反応により浄化する選択還元層２０Ｃと、をこの順番で交互かつ複数塗布することで構成される。また、ＮＯｘ吸着層２０ＢにおけるＮＯｘ吸着能力は、例えば、スラリー中の基材濃度を変化、即ち、触媒担体２０Ａに対する基材の塗布密度を変化させることで、排気上流から下流に向かうにつれて徐々に弱くなるようにする。触媒担体２０ＡにＮＯｘ吸着層２０Ｂ及び選択還元層２０Ｃを塗り分ける具体的方法としては、図３に示すように、触媒担体２０Ａを構成する基本担体Ａ〜ＦにＮＯｘ吸着層２０Ｂ又は選択還元層２０Ｃを適宜塗布し、これらを積層して一体化すればよい。なお、本実施形態では、触媒担体２０ＡにＮＯｘ吸着層２０Ｂ及び選択還元層２０Ｃを３つずつ塗布するようにしたが、これに限られるものではない。

排気浄化装置の制御系として、噴射ノズル１８とＮＯｘ還元触媒２０との間に位置する排気管１４には、ＮＯｘ還元触媒２０に導入される排気の温度（排気温度）を検出する温度センサ３０が取り付けられる。温度センサ３０の出力信号は、コンピュータを内蔵した還元剤添加コントロールユニット（以下「還元剤添加ＥＣＵ」という）３２へと入力される。また、還元剤添加ＥＣＵ３２は、エンジン運転状態としての回転速度及び負荷を適宜読み込むべく、ＣＡＮ（Controller Area Network）などのネットワークを介して、エンジンコントロールユニット（以下「エンジンＥＣＵ」という）３４と通信可能に接続される。なお、エンジン負荷としては、燃料噴射量，トルク，アクセル開度，スロットル開度，吸気流量，吸気負圧，過給圧力などの公知の状態量を適用することができる。

そして、還元剤添加ＥＣＵ３２は、そのＲＯＭ（Read Only Memory）などに記憶された制御プログラムを実行することで、排気温度，エンジン回転速度及びエンジン負荷に応じた尿素水溶液添加量を演算し、その添加量に応じた制御信号を還元剤添加装置２８に出力する。還元剤添加装置２８では、還元剤添加ＥＣＵ３２からの制御信号に基づいて、内蔵されたポンプ及び流量制御弁が制御され、エンジン運転状態に応じた流量の尿素水溶液が噴射ノズル１８に供給される。

かかる排気浄化装置において、噴射ノズル１８から排気管１４内に噴射供給された尿素水溶液は、排気熱及び排気中の水蒸気により加水分解されてアンモニアへと転化され、排気流に乗ってＮＯｘ還元触媒２０へと導入される。そして、ＮＯｘ還元触媒２０の温度が触媒活性温度未満であるときには、排気中のＮＯｘは、排気最上流に位置するＮＯｘ吸着層２０Ｂに吸着される。ＮＯｘ吸着層２０ＢにおけるＮＯｘ吸着量が飽和状態に達すると、ＮＯｘは、ＮＯｘ吸着層２０Ｂを通過してその排気下流に位置する選択還元層２０Ｃへと供給される。選択還元層２０Ｃでは、触媒活性温度未満であるため所要のＮＯｘ浄化率が発揮されないが、その温度に応じた活性によりＮＯｘの少なくとも一部がアンモニアを使用して還元浄化される。選択還元層２０Ｃを通過したＮＯｘは、その排気下流に位置するＮＯｘ吸着層２０Ｂへと供給され、排気最上流に位置するＮＯｘ吸着層２０Ｂと同様に吸着される。このとき、ＮＯｘ吸着層２０Ｂには、その排気上流に位置するＮＯｘ吸着層２０Ｂ及び選択還元層２０Ｃで処理し切れなかったＮＯｘが供給されるので、ＮＯｘ吸着量が飽和状態に達するまである程度の時間を要し、その排気下流にＮＯｘが流れていくことを抑制できる。その後、その排気下流に位置する選択還元層２０Ｃ，ＮＯｘ吸着層２０Ｂ及び選択還元層２０Ｃで同様な処理が行われる。

このため、ＮＯｘ還元触媒２０の温度が触媒活性温度未満であっても、大気中に放出されるＮＯｘが減少し、触媒未活性時におけるＮＯｘ浄化率を向上させることができる。また、ＮＯｘ吸着層２０ＢにおけるＮＯｘ吸着能力は、排気上流から下流に向かうにつれて徐々に弱くなっているので、排気中のＮＯｘ濃度に応じてＮＯｘが効率良く吸着される。
一方、エンジン負荷の変化に伴って排気温度が上昇し、ＮＯｘ還元触媒２０の温度が触媒活性温度に達すると、ＮＯｘ吸着層２０Ｂに吸着されていたＮＯｘが離脱し、その排気下流に位置する選択還元層２０Ｃへと供給される。選択還元層２０Ｃでは、触媒活性温度に達しているため、排気中のＮＯｘに加え、ＮＯｘ吸着層２０Ｂから離脱したＮＯｘがアンモニアを使用して還元浄化される。

このとき、ＮＯｘ還元触媒２０におけるＮＯｘ浄化率を向上させるべく、窒素酸化触媒１６によりＮＯがＮＯ₂へと酸化され、排気中のＮＯとＮＯ₂との比率が選択還元反応に適したものに改善される。また、ＮＯｘ還元触媒２０を通過したアンモニアは、その排気下流に配設されるアンモニア酸化触媒２２により酸化されるので、アンモニアがそのまま大気中に放出されることを抑制できる。

なお、以上説明した実施形態では、還元剤又はその前駆体として、尿素水溶液を用いるものを前提としたが、ＮＯｘの選択還元反応メカニズムに応じて、炭化水素，アルコール，軽油，固体尿素なども適用可能である。また、排気管１４内に還元剤又はその前駆体を噴射供給するものに限らず、触媒を用いて排気中の成分から還元剤を生成するものにも適用可能である。

本発明を適用した排気浄化装置の全体構成図ＮＯｘ還元触媒の詳細を示す斜視図ＮＯｘ還元触媒の具体的構成を示す斜視図

符号の説明

１０エンジン
１４排気管
２０ＮＯｘ還元触媒
２０Ａ触媒担体
２０ＢＮＯｘ吸着層
２０Ｃ選択還元層
Ａ〜Ｆ基本担体

Claims

排気通路に配設される触媒担体に、排気上流から下流に向けて、触媒活性温度未満で窒素酸化物を一時的に吸着する窒素酸化物吸着層と、還元剤の供給を受けて窒素酸化物を選択還元反応により浄化する選択還元層と、をこの順番で交互かつ複数塗布すると共に、各窒素酸化物吸着層における窒素酸化物吸着能力を、排気上流から下流に向かうにつれて徐々に弱くなるようにしたことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
前記窒素酸化物吸着層における窒素酸化物吸着能力は、前記触媒担体に対する基材の塗布密度により変化させていることを特徴とする請求項１記載のエンジンの排気浄化装置。