JP2009114930A - 排気浄化装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】パティキュレートとＮＯxの同時低減を図り得る排気浄化装置の搭載性を従来よりも改善し且つ圧力損失も抑制し得るようにする。
【解決手段】排気管４の途中に選択還元型触媒３を装備し且つ該選択還元型触媒３の上流側に還元剤として尿素水７を添加してＮＯxを還元浄化するようにした排気浄化装置に関し、尿素水７の添加位置より上流に、排気ガス５中のＨＣを酸化処理する酸化触媒２を備える共に、前記尿素水７の添加位置と前記選択還元型触媒３との間に、尿素水７をアンモニアと炭酸ガスに加水分解する加水分解触媒を担持したパティキュレートフィルタ１を備える。
【選択図】図１

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、毒性のない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、該排気ガス中で尿素水が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。
他方、ディーゼルエンジンの排気浄化を図る場合、排気ガス中のＮＯxを除去するだけでは十分ではなく、排気ガス中に含まれるパティキュレート（Particulate Matter：粒子状物質）についてもパティキュレートフィルタを通して捕集する必要があるが、この種のパティキュレートフィルタを採用する場合には、目詰まりにより排気抵抗が増加しないうちにパティキュレートを適宜に燃焼除去してパティキュレートフィルタの再生を図る必要がある。
このため、パティキュレートフィルタの前段に、フロースルー型の酸化触媒を付帯装備させ、パティキュレートの堆積量が増加してきた段階で前記酸化触媒より上流の排気ガス中に燃料を添加してパティキュレートフィルタを強制再生することが考えられている。
つまり、酸化触媒より上流の排気ガス中に燃料を添加すれば、その添加燃料（ＨＣ）が前段の酸化触媒を通過する間に酸化反応するので、その反応熱で昇温した排気ガスの流入により直後のパティキュレートフィルタの触媒床温度が上げられてパティキュレートが燃やし尽くされ、パティキュレートフィルタの再生化が図られることになる。
一般的に、前述した如き燃料添加を実行するための具体的手段としては、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実行して排気ガス中に燃料を添加することが考えられているが、その添加燃料を効率良く強制再生に活用し且つ排気ガスが極力温度降下しないうちに添加燃料を酸化処理するためには、例えば、図３に示す如く、パティキュレートフィルタ１及びその前段の酸化触媒２を選択還元型触媒３より上流側に配置することが好ましいものと考えられている。
また、図３中における符号の４は排気管、５は排気ガス、６は尿素水７を噴射する尿素水添加装置、８は複数枚の邪魔板を互い違いに配置して排気ガス５の流れを撹拌し得るように構成したミキサ、９はリークアンモニア対策として余剰のアンモニアを酸化処理するＮＨ3スリップ触媒を示している。
そして、斯かる従来構造においては、尿素水７の混合・拡散の効率を上げて尿素水７のアンモニアへの分解を促進するために、パティキュレートフィルタ１と選択還元型触媒３との間の排気管４の径を絞り込んで小径部４ａを形成し、ここに尿素水添加装置６を配置して尿素水７の添加を行い、しかも、この小径部４ａ内にミキサ８を配置して排気ガス５の流れを撹拌するようにしている。
尚、この種のパティキュレートフィルタ及びその前段の酸化触媒を選択還元型触媒より上流に配置した排気浄化装置に関連する先行技術文献情報としては、例えば、本発明と同じ出願人による下記の特許文献１等が既に存在している。
特開２００７−２６９７号公報
しかしながら、図３に示す如き小径部４ａの形成やミキサ８の配置といった措置を施しても、尿素水７がアンモニアと炭酸ガスに分解されるまでの十分な反応時間を確保するためには、尿素水７の添加位置から選択還元型触媒３までに長く距離をとらなければならず、また、小径部４ａの前後にテーパ部を介在させなければならないことからも尿素水７の添加位置から選択還元型触媒３までの距離が長くなってしまうため、排気浄化装置としての全長が長くなって車両への搭載性が悪くなるという問題があり、しかも、流路断面積を絞り込む小径部４ａが長く延在することで圧力損失が大きくなるという問題もあった。
本発明は、上述の実情に鑑みてなされたものであり、パティキュレートとＮＯxの同時低減を図り得る排気浄化装置の搭載性を従来よりも改善し且つ圧力損失も抑制し得るようにすることを目的としている。
本発明は、排気管の途中に選択還元型触媒を装備し且つ該選択還元型触媒の上流側に還元剤として尿素水を添加してＮＯxを還元浄化するようにした排気浄化装置であって、尿素水の添加位置より上流に、排気ガス中のＨＣを酸化処理する酸化触媒を備える共に、前記尿素水の添加位置と前記選択還元型触媒との間に、尿素水をアンモニアと炭酸ガスに加水分解する加水分解触媒を担持したパティキュレートフィルタを備えたことを特徴とするものである。
而して、このようにすれば、パティキュレートフィルタにより排気ガス中のパティキュレートが捕集されると共に、その下流で尿素水が排気ガス中に添加されてアンモニアと炭酸ガスに分解され、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ので、排気ガス中のパティキュレートとＮＯxの同時低減が図られる。
この際、選択還元型触媒に向けて添加される尿素水が、熱容量の大きな固体物であるパティキュレートフィルタに対し直接衝突して効率の良い熱交換（従来の排気ガスを熱媒体とした熱交換と比較して効率が良い）が行われると共に、パティキュレートフィルタに担持されている加水分解触媒により確実に尿素水からアンモニア及び炭酸ガスへの分解反応が促進され、しかも、尿素水の添加位置と選択還元型触媒との間にパティキュレートフィルタが介在することで尿素水の添加位置から前記選択還元型触媒に到るまでの間に反応時間を稼ぐための十分な距離も確保されるので、従来よりもアンモニアの生成効率が大幅に改善されることになる。
また、パティキュレートフィルタを強制再生するに際しては、従来と同様に、エンジン側でのポスト噴射等により排気ガス中にＨＣを添加し、その添加したＨＣを酸化触媒で酸化反応させて反応熱により排気ガスを昇温し、これによりパティキュレートフィルタの触媒床温度を上げて捕集済みパティキュレートの燃焼除去を図るようにすれば良い。
尚、パティキュレートフィルタには、強制再生時に限らず排気ガスの熱が効率良く蓄えられ、しかも、運転状態の変化により排気ガスの温度が急激に低下しても、パティキュレートフィルタに蓄えられた熱により尿素水の分解反応が暫時継続されて選択還元型触媒へアンモニアが供給され続けるので、排気ガスの温度が低くなる運転領域での選択還元型触媒のＮＯx低減率が従来よりも向上されることになる。
また、本発明においては、尿素水の添加位置とパティキュレートフィルタとの間に、添加尿素水をパティキュレートフィルタの入側端面の広範囲に拡散し得るよう複数の拡散孔を開口した拡散板を配設することが好ましく、また、選択還元型触媒の直後には、リークアンモニア対策として余剰のアンモニアを酸化処理するＮＨ3スリップ触媒を配設しておくと良い。
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に記載の発明によれば、パティキュレートフィルタと選択還元型触媒との間の排気管に小径部を長く形成して尿素水の添加を行うようにしたり、この小径部内に複数枚の邪魔板を互い違いに配置してミキサを構成したりしなくても、アンモニアの生成効率を従来より大幅に改善することができるので、排気浄化装置としての全長を短縮して車両への搭載性を向上することができ、しかも、流路断面積を絞り込む小径部が不要となることで圧力損失を小さく抑えることもできる。
（ＩＩ）本発明の請求項２に記載の発明によれば、排気ガスの流れ方向に長さをとらずにコンパクトに配置することが可能な拡散板により、添加した尿素水をパティキュレートフィルタの入側端面の広範囲に拡散することができるので、車両への搭載性に悪影響を及ぼすことなくアンモニアの生成効率の更なる向上を図ることができる。
（ＩＩＩ）本発明の請求項３に記載の発明によれば、選択還元型触媒で処理しきれずに未処理のまま前記選択還元型触媒を通り抜けてしまった余剰のアンモニアをＮＨ3スリップ触媒で酸化処理することができ、余剰のアンモニアが未処理のまま排気ガスと一緒に車外へ排出されてしまう虞れを未然に防止することができる。
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、本形態例の排気浄化装置においては、前述した図３の従来例のものと同様に、排気管４の途中に選択還元型触媒３を装備し且つ該選択還元型触媒３の上流側に尿素水添加装置６により尿素水７を還元剤として添加し得るようにしていますが、この尿素水添加装置６による尿素水７の添加位置より上流には、排気ガス５中のＨＣを酸化処理する酸化触媒２だけが備えられており、パティキュレートフィルタ１は、尿素水添加装置６による尿素水７の添加位置と前記選択還元型触媒３との間に配置されるように変更されている。
しかも、このパティキュレートフィルタ１には、白金等の酸化触媒を担持させることに替えて、尿素水７をアンモニアと炭酸ガスに加水分解する反応を促進する触媒作用を備えた酸化チタン、酸化ジルコニウム、希土類金属、酸化アルミニウム、ゼオライト等の加水分解触媒のみが担持されている。
また、ここに図示している例では、前述した図３のものと同様に、選択還元型触媒３の直後に、リークアンモニア対策として余剰のアンモニアを酸化処理するＮＨ3スリップ触媒９が配設されている。
尚、前記尿素水添加装置６による尿素水７の添加位置に特に小径部は形成しておらず、酸化触媒２、尿素水添加装置６、パティキュレートフィルタ１、選択還元型触媒３、ＮＨ3スリップ触媒９の全てが単一のケーシング内にコンパクトに収まるようにしてある。
而して、このように排気浄化装置を構成すれば、パティキュレートフィルタ１により排気ガス５中のパティキュレートが捕集されると共に、その下流で尿素水７が排気ガス５中に添加されてアンモニアと炭酸ガスに分解され、選択還元型触媒３上で排気ガス５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ので、排気ガス５中のパティキュレートとＮＯxの同時低減が図られる。
この際、選択還元型触媒３に向けて添加される尿素水７が、熱容量の大きな固体物であるパティキュレートフィルタ１に対し直接衝突して効率の良い熱交換（従来の排気ガス５を熱媒体とした熱交換と比較して効率が良い）が行われると共に、パティキュレートフィルタ１に担持されている加水分解触媒により確実に尿素水７からアンモニア及び炭酸ガスへの分解反応が促進され、しかも、尿素水７の添加位置と選択還元型触媒３との間にパティキュレートフィルタ１が介在することで尿素水７の添加位置から前記選択還元型触媒３に到るまでの間に反応時間を稼ぐための十分な距離も確保されるので、従来よりもアンモニアの生成効率が大幅に改善されることになる。
また、パティキュレートフィルタ１を強制再生するに際しては、従来と同様に、エンジン側でのポスト噴射等により排気ガス５中にＨＣを添加し、その添加したＨＣを酸化触媒２で酸化反応させて反応熱により排気ガス５を昇温し、これによりパティキュレートフィルタ１の触媒床温度を上げて捕集済みパティキュレートの燃焼除去を図るようにすれば良い。
尚、パティキュレートフィルタ１には、強制再生時に限らず排気ガス５の熱が効率良く蓄えられ、しかも、運転状態の変化により排気ガス５の温度が急激に低下しても、パティキュレートフィルタ１に蓄えられた熱により尿素水７の分解反応が暫時継続されて選択還元型触媒３へアンモニアが供給され続けるので、排気ガス５の温度が低くなる運転領域での選択還元型触媒３のＮＯx低減率が従来よりも向上されることになる。
従って、上記形態例によれば、パティキュレートフィルタ１と選択還元型触媒３との間の排気管４に小径部を長く形成して尿素水７の添加を行うようにしたり、この小径部内に複数枚の邪魔板を互い違いに配置してミキサを構成したりしなくても、アンモニアの生成効率を従来より大幅に改善することができるので、排気浄化装置としての全長を短縮して車両への搭載性を向上することができ、しかも、流路断面積を絞り込む小径部が不要となることで圧力損失を小さく抑えることもできる。
また、選択還元型触媒３で処理しきれずに未処理のまま前記選択還元型触媒３を通り抜けてしまった余剰のアンモニアをＮＨ3スリップ触媒９で酸化処理することができ、余剰のアンモニアが未処理のまま排気ガス５と一緒に車外へ排出されてしまう虞れを未然に防止することができる。
図２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、尿素水７の添加位置とパティキュレートフィルタ１との間に、尿素水添加装置６により添加した尿素水７をパティキュレートフィルタ１の入側端面の広範囲に拡散し得るよう複数の拡散孔１０を開口した拡散板１１を配設するようにしており、特に、ここで例示している拡散板１１には、排気ガス５を半径方向外側へ案内するガイド翼１２を各拡散孔１０の縁部に付設した形式としている。
このようにすれば、排気ガス５の流れ方向に長さをとらずにコンパクトに配置することが可能な拡散板１１により、添加した尿素水７をパティキュレートフィルタ１の入側端面の広範囲に拡散することができるので、車両への搭載性に悪影響を及ぼすことなくアンモニアの生成効率の更なる向上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、拡散板に放射状に拡散孔を開口して排気ガスの旋回流を形成し得るようなガイド翼を付けるようにしても良いこと、その他、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。
本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。 本発明を実施する別の形態例を示す概略図である。 従来例を示す概略図である。
符号の説明
１ パティキュレートフィルタ
２ 酸化触媒
３ 選択還元型触媒
４ 排気管
５ 排気ガス
６ 尿素水添加装置
７ 尿素水
９ スリップ触媒
１０ 拡散孔
１１ 拡散板

Claims (3)

  1. 排気管の途中に選択還元型触媒を装備し且つ該選択還元型触媒の上流側に還元剤として尿素水を添加してＮＯxを還元浄化するようにした排気浄化装置であって、尿素水の添加位置より上流に、排気ガス中のＨＣを酸化処理する酸化触媒を備える共に、前記尿素水の添加位置と前記選択還元型触媒との間に、尿素水をアンモニアと炭酸ガスに加水分解する加水分解触媒を担持したパティキュレートフィルタを備えたことを特徴とする排気浄化装置。
  2. 尿素水の添加位置とパティキュレートフィルタとの間に、添加尿素水をパティキュレートフィルタの入側端面の広範囲に拡散し得るよう複数の拡散孔を開口した拡散板を配設したことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
  3. 選択還元型触媒の直後に、リークアンモニア対策として余剰のアンモニアを酸化処理するＮＨ3スリップ触媒を配設したことを特徴とする請求項１又は２に記載の排気浄化装置。
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