JP2020076326A - 触媒構造体及び浄化システム - Google Patents

Abstract

【課題】窒素酸化物の吸着量と脱離量を適切に管理すると共に劣化を抑制できる触媒構造体を提供する。【解決手段】排気ガス中のＮＯｘが吸着及び脱離可能な管状の触媒構造体５０は、中央部に軸方向に沿って設けられた空洞部５２と、空洞部５２を囲むように設けられた触媒部５３と、空洞部５２の出口側に設けられた開閉弁５５とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、触媒構造体及び浄化システムに関する。

トラック等の車両の排気路には、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元反応させて浄化する浄化装置が搭載されている。また、近年、浄化装置の補助装置として、ＮＯｘが吸着及び脱離可能な管状の触媒構造体を、排気路においてＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）の上流側に設けることが検討されている。触媒構造体は、排気ガスの温度が低い際にはＮＯｘを吸着させ、排気ガスの温度が浄化装置において浄化が開始される温度を超えると、吸着していたＮＯｘを脱離させる。そして、脱離したＮＯｘが、浄化装置において浄化される。

特開２０１５−１５１８８７号公報

上記の触媒構造体においては、通常、排気ガスは触媒部を通過し続けることになるため、触媒部が劣化するおそれがある。また、ＮＯｘの脱離量が排気ガスの温度変化に依存することになるため、ＮＯｘの脱離量を管理することが困難である。これにより、浄化装置の浄化能力を超える量のＮＯｘが脱離するおそれがある。

そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、窒素酸化物の吸着量と脱離量を適切に管理すると共に劣化を抑制できる触媒構造体を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様においては、排気ガス中の窒素酸化物が吸着及び脱離可能な管状の触媒構造体であって、中央部に軸方向に沿って設けられた空洞部と、前記空洞部を囲むように設けられた触媒部と、前記空洞部の出口側に設けられた開閉弁と、を備える、触媒構造体を提供する。

また、前記触媒部は、ハニカム構造であり、前記触媒構造体は、前記空洞部と前記触媒部の間に設けられた仕切り壁を更に備えることとしてもよい。

本発明の第２の態様においては、排気ガスが流れる排気路と、前記排気路に設けられ、前記排気ガス中の窒素酸化物が吸着及び脱離可能な管状の触媒構造体であって、中央部に軸方向に沿って設けられた空洞部と、前記空洞部を囲むように設けられた触媒部と、前記空洞部の出口側に設けられた開閉弁とを有する触媒構造体と、前記開閉弁を動作させ、前記空洞部及び前記触媒部を流れる排気ガスの流量を調整する制御部と、を備える、浄化システムを提供する。

また、前記浄化システムは、前記排気ガスの温度を検出する温度検出部と、前記排気路において前記触媒構造体よりも下流側に設けられ、前記排気ガスの温度が第１温度以上になると前記窒素酸化物を浄化する浄化部と、を更に備え、前記制御部は、前記排気ガスの温度が前記第１温度よりも低いと検出された場合には、前記開閉弁を閉じて前記触媒部を通過する排気ガス中の前記窒素酸化物を前記触媒部に吸着させ、前記排気ガスの温度が前記第１温度以上であると検出された場合には、前記開閉弁を開けて前記排気ガスを前記空洞部を通過させることとしてもよい。

また、前記触媒部は、前記排気ガスの温度が前記第１温度よりも高い第２温度以上になると、吸着していた前記窒素酸化物を脱離させ、前記制御部は、前記排気ガスの温度が前記第２温度以上であると検出された場合には、前記開閉弁を閉じて前記排気ガスを前記触媒部を通過させることとしてもよい。

また、前記浄化システムは、前記排気路において前記触媒構造体と前記浄化部との間に設けられ、前記窒素酸化物の量を検出する窒素検出部を更に備え、前記制御部は、前記窒素検出部の検出量が所定の閾値を超えた場合には、前記検出量に応じて前記開閉弁の開度を調整することとしてもよい。

本発明によれば、触媒構造体における窒素酸化物の吸着量と脱離量を適切に管理すると共に劣化を抑制できるという効果を奏する。

本発明の一の実施形態に係る浄化システム１の構成を説明するための模式図である。 触媒構造体５０の構成を説明するための模式図である。 図２のＡ−Ａ断面模式図である。 浄化システム１の動作例を説明するためのフローチャートである。

＜浄化システムの構成＞
本発明の一の実施形態に係る浄化システムの構成について、図１を参照しながら説明する。

図１は、一の実施形態に係る浄化システム１の構成を説明するための模式図である。浄化システム１は、エンジンの排気ガスを浄化するためのシステムであり、ここではトラック等の車両に搭載されている。浄化システム１は、図１に示すように、排気路１０と、ＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst）３０と、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）３２と、噴射部４０と、ＳＣＲ４２と、触媒構造体５０と、ＮＯｘセンサ６０と、温度検出部８０と、制御装置９０とを有する。

排気路１０は、車両のエンジン（不図示）と連結されており、エンジンの排気ガスが流れる排気管である。なお、エンジンは、ここではディーゼルエンジンである。

ＤＯＣ３０は、ディーゼル用酸化触媒であり、排気ガスの炭化水素を効率的に酸化して排気ガスの温度を上昇させる。
ＤＰＦ３２は、排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集するフィルターである。

噴射部４０は、アンモニアとなる尿素水を排気路１０に噴射する。
ＳＣＲ４２は、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）とアンモニアとを反応させて、無害な窒素と水に還元させる。なお、本実施形態では、ＳＣＲ４２がＮＯｘを浄化させる浄化部に該当する。ＳＣＲ４２は、通過する排気ガスの温度が浄化温度Ｔ１（浄化温度Ｔ１が第１温度に該当する）以上になると、ＮＯｘを還元反応させて浄化する。なお、浄化温度Ｔ１は、例えば１６０〜２００℃である。

触媒構造体５０は、ＳＣＲ４２の補助装置であり、排気路１０においてＳＣＲ４２よりも上流側に設けられている。本実施形態では、触媒構造体５０は、ＤＯＣ３０の上流側に設けられている。ただし、これに限定されず、触媒構造体５０は、ＤＰＦ３２とＳＣＲ４２の間に設けられていてもよい。触媒構造体５０は、排気ガス中のＮＯｘが吸着及び脱離可能な触媒を有する。

図２は、触媒構造体５０の構成を説明するための模式図である。図３は、図２のＡ−Ａ断面模式図である。触媒構造体５０は、空洞部５２と、触媒部５３と、仕切り壁５４と、開閉弁５５とを有する。なお、空洞部５２、触媒部５３、仕切り壁５４及び開閉弁５５は、触媒構造体５０のハウジング５１（図３）内に設けられている。

空洞部５２は、中央部に軸方向に沿って設けられている（図２参照）。空洞部５２は、ここでは図３に示すように円形の空洞となっている。空洞部５２は、排気ガスが通過する通路としても機能する。具体的には、開閉弁５５が開いている際に、排気ガスが空洞部５２を通過する。

触媒部５３は、図３に示すように、空洞部５２を囲むように設けられている。触媒部５３は、ハニカム構造であり、内部を排気ガスが通過可能である。具体的には、開閉弁５５が閉じている際に、排気ガスが触媒部５３を通過する。上記触媒部５３の構造の関係上、排気ガスが触媒部５３を通過する場合に比べて、排気ガスが空洞部５２を通過する際の圧損が小さい。

触媒部５３は、例えば、Ｆｅ−ゼオライト系触媒やＣｕ−ゼオライト系触媒で構成され、低温領域から高温領域に亘って高活性を維持できうる。触媒部５３は、通過する排気ガスの温度に応じて、排気ガス中のＮＯｘの吸着と脱離を切り替える。例えば、排気ガスの温度が浄化温度Ｔ１よりも低い場合には、排気ガス中のＮＯｘが触媒部５３に吸着される。一方で、触媒部５３は、排気ガスの温度が浄化温度Ｔ１よりも高い脱離温度Ｔ２（脱離温度Ｔ２が第２温度に該当する）以上になると、吸着していたＮＯｘを脱離させる。なお、脱離温度Ｔ２は、例えば３００〜５００℃である。

仕切り壁５４は、空洞部５２と触媒部５３の間に設けられている。例えば、仕切り壁５４は、金属製であり、環状に設けられている。このような仕切り壁５４を設けることによって、触媒構造体５０の強度を高めることが可能となる。

開閉弁５５は、図２に示すように、空洞部５２の出口側に開閉可能に設けられた弁である。例えば、開閉弁５５が閉じている際には排気ガスは触媒部５３を流れ、開閉弁５５が開いている際には排気ガスは空洞部５２を流れる。開閉弁５５は、制御装置９０の指令に基づいて開閉を行う。開閉弁５５は、例えばバタフライバルブであり、開度を調整可能であってもよい。このように開度を調整することで、空洞部５２を流れる排気ガスの流量と触媒部５３を流れる流量を、それぞれ調整できる。なお、開閉弁５５はバタフライバルブ以外のバルブであってもよい。

ＮＯｘセンサ６０は、図１に示すように排気路１０において触媒構造体５０とＳＣＲ４２との間に設けられ、ＮＯｘの量を検出する窒素検出部である。例えば、ＮＯｘセンサ６０は、触媒部５３から脱離したＮＯｘの量を検出する。ＮＯｘセンサ６０の検出結果は、制御装置９０に出力される。

温度検出部８０は、排気ガスの温度を検出する。温度検出部８０は、例えば、排気路１０に設けられ排気ガスの温度を測定する温度センサを含む。温度検出部８０の検出結果は、制御装置９０に出力される。

制御装置９０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等を有するマイクロコンピュータを備えた電子制御装置（Electric Control Unit）である。制御装置９０は、前述した各装置の動作を制御する。

制御装置９０は、開閉弁５５を動作させ、空洞部５２及び触媒部５３を流れる排気ガスの流量を調整する。すなわち、制御装置９０は、開閉弁５５の開閉を制御して排気ガスの流路を空洞部５２又は触媒部５３へ切り替えることで、空洞部５２及び触媒部５３を流れる排気ガスの流量を調整する。

制御装置９０は、排気ガスの温度（排気温度）が浄化温度Ｔ１よりも低いと検出された場合には、開閉弁５５を閉じて触媒部５３を通過させる。排気ガスが触媒部５３を通過する際に、排気ガス中のＮＯｘが触媒部５３に吸着される。これにより、排気温度が浄化温度Ｔ１よりも低い場合には、ＮＯｘが触媒部５３に吸着されることで、ＮＯｘがＳＣＲ４２へ向かうことを抑制できる。

一方で、制御装置９０は、排気ガスの温度が浄化温度Ｔ１以上であると検出された場合には、開閉弁５５を開けて排気ガスを空洞部５２を通過させる。これにより、空洞部５２を通過したＮＯｘが、ＳＣＲ４２にて浄化される。なお、制御装置９０は、開閉弁５５を少しずつ開いて空洞部５２を通過するＮＯｘの量を調整することで、ＳＣＲ４２にＮＯｘが一気に流入することを抑制してもよい。この結果、ＳＣＲ４２の浄化率を高められる。

制御装置９０は、排気ガスの温度が脱離温度Ｔ２以上であると検出された場合には、開閉弁５５を閉じて排気ガスを触媒部５３を通過させる。これにより、触媒部５３を通過する排気ガスによって、それまで触媒部５３に吸着されていたＮＯｘの脱離が促進される。脱離したＮＯｘは、排気ガスと共にＳＣＲ４２へ向かって流れる。

制御装置９０は、ＮＯｘセンサ６０の検出結果に基づいて、開閉弁５５を動作させてもよい。例えば、制御装置９０は、ＮＯｘセンサ６０の検出量が所定の閾値を超えた場合には、検出量に応じて開閉弁５５の開度を調整する。これにより、触媒部５３からのＮＯｘの脱離量を適切に管理でき、ＳＣＲ４２による浄化を適切に行える。

＜浄化システムの動作例＞
上述した浄化システム１の動作例について、図４を参照しながら説明する。

図４は、浄化システム１の動作例を説明するためのフローチャートである。図４に示す処理は、制御装置９０のＣＰＵがプログラムを実行することで実現される。

図４の処理は、エンジンが回転を開始して、エンジンの排気ガスが排気路１０を流れるところから開始される。エンジンの回転開始直後の排気ガスの温度は低いが、エンジンが回転を続けることで排気ガスの温度が上昇する。

まず、制御装置９０は、排気路１０を流れる排気ガスの温度を検出する（ステップＳ１０２）。すなわち、制御装置９０は、温度検出部８０によって排気ガスの温度を検出する。なお、温度検出部８０による排気ガスの温度検出は、その後も所定間隔で継続される。

次に、制御装置９０は、検出した排気ガスの温度（以下、単に排気温度と呼ぶ）が、浄化温度Ｔ１より低いか否かを判定する（ステップＳ１０４）。ここでは、エンジンの回転直後であるので、排気温度は浄化温度Ｔ１より低い。

そして、ステップＳ１０４で排気温度が浄化温度Ｔ１より低いと判定した場合には（Ｙｅｓ）、制御装置９０は、触媒構造体５０の開閉弁５５を閉じる（ステップＳ１０６）。なお、既に開閉弁５５が閉じていた場合には、制御装置９０は、開閉弁５５が閉じた状態を維持させる。これにより、排気ガスは、触媒構造体５０の触媒部５３を通過する。この際、排気ガス中のＮＯｘは、触媒部５３に吸着される。この結果、浄化を開始する前のＳＣＲ４２へＮＯｘが流入することを抑制できる。

その後、排気ガスの温度は上昇するが、制御装置９０は、排気温度が浄化温度Ｔ１以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０８）。そして、ステップＳ１０８で排気温度が浄化温度Ｔ１以上である場合には（Ｙｅｓ）、制御装置９０は、開閉弁５５を開ける（ステップＳ１１０）。これにより、排気ガスは、触媒部５３に比べて圧損が小さい空洞部５２を通過してＳＣＲ４２に至る。排気温度が浄化温度Ｔ１であるため、排気ガス中のＮＯｘが、ＳＣＲ４２によって浄化される。

その後、制御装置９０は、排気温度が脱離温度Ｔ２以上であるか否かを判定する（ステップＳ１１２）。そして、ステップＳ１１２で排気温度が脱離温度Ｔ２以上であると判定した場合には（Ｙｅｓ）、制御装置９０は、開閉弁５５を閉じる（ステップＳ１１４）。これにより、排気ガスは、触媒部５３を通過することになる。また、脱離温度Ｔ２であることで、触媒部５３に吸着していたＮＯｘが脱離され、排気ガスと共にＳＣＲ４２へ流れる。この結果、脱離されたＮＯｘがＳＣＲ４２において浄化されるので、浄化率を高められる。

＜本実施形態における効果＞
上述したように排気路１０においてＳＣＲ４２の上流側に設けられＮＯｘが吸着・脱離可能な触媒構造体５０は、中央部に軸方向に沿って設けられた空洞部５２と、空洞部５２を囲むように設けられた触媒部５３と、空洞部５２の出口側に設けられた開閉弁５５とを備える。
開閉弁５５を設けることによって、排気ガスの流路として触媒部５３と空洞部５２を切り替えられるので、触媒部５３と空洞部５２を流れる排気ガスの流量を調整できる。これにより、例えば排気ガスが継続して触媒部５３を流れ続けることに起因して触媒部５３が劣化することを抑制できる。また、排気ガスの温度に応じて空洞部５２及び触媒部５３の流量を調整することで、触媒部５３に対するＮＯｘの吸着量と脱離量を適切に管理でき、この結果、ＳＣＲ４２によるＮＯｘの浄化を効果的に行える。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、装置の分散・統合の具体的な実施の形態は、以上の実施の形態に限られず、その全部又は一部について、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。また、複数の実施の形態の任意の組み合わせによって生じる新たな実施の形態も、本発明の実施の形態に含まれる。組み合わせによって生じる新たな実施の形態の効果は、もとの実施の形態の効果を合わせ持つ。

１ 浄化システム
１０ 排気路
４２ ＳＣＲ
５０ 触媒構造体
５２ 空洞部
５３ 触媒部
５４ 仕切り壁
５５ 開閉弁
６０ ＮＯｘセンサ
８０ 温度検出部
９０ 制御装置

Claims (6)

1. 排気ガス中の窒素酸化物が吸着及び脱離可能な管状の触媒構造体であって、
   中央部に軸方向に沿って設けられた空洞部と、
   前記空洞部を囲むように設けられた触媒部と、
   前記空洞部の出口側に設けられた開閉弁と、
   を備える、触媒構造体。
2. 前記触媒部は、ハニカム構造であり、
   前記空洞部と前記触媒部の間に設けられた仕切り壁を更に備える、
   請求項１に記載の触媒構造体。
3. 排気ガスが流れる排気路と、
   前記排気路に設けられ、前記排気ガス中の窒素酸化物が吸着及び脱離可能な管状の触媒構造体であって、中央部に軸方向に沿って設けられた空洞部と、前記空洞部を囲むように設けられた触媒部と、前記空洞部の出口側に設けられた開閉弁とを有する触媒構造体と、
   前記開閉弁を動作させ、前記空洞部及び前記触媒部を流れる排気ガスの流量を調整する制御部と、
   を備える、浄化システム。
4. 前記排気ガスの温度を検出する温度検出部と、
   前記排気路において前記触媒構造体よりも下流側に設けられ、前記排気ガスの温度が第１温度以上になると前記窒素酸化物を浄化する浄化部と、を更に備え、
   前記制御部は、
   前記排気ガスの温度が前記第１温度よりも低いと検出された場合には、前記開閉弁を閉じて前記触媒部を通過する排気ガス中の前記窒素酸化物を前記触媒部に吸着させ、
   前記排気ガスの温度が前記第１温度以上であると検出された場合には、前記開閉弁を開けて前記排気ガスを前記空洞部を通過させる、
   請求項３に記載の浄化システム。
5. 前記触媒部は、前記排気ガスの温度が前記第１温度よりも高い第２温度以上になると、吸着していた前記窒素酸化物を脱離させ、
   前記制御部は、前記排気ガスの温度が前記第２温度以上であると検出された場合には、前記開閉弁を閉じて前記排気ガスを前記触媒部を通過させる、
   請求項４に記載の浄化システム。
6. 前記排気路において前記触媒構造体と前記浄化部との間に設けられ、前記窒素酸化物の量を検出する窒素検出部を更に備え、
   前記制御部は、前記窒素検出部の検出量が所定の閾値を超えた場合には、前記検出量に応じて前記開閉弁の開度を調整する、
   請求項５に記載の浄化システム。
   
   

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