JP6119426B2

JP6119426B2 - 尿素ｓｃｒシステム

Info

Publication number: JP6119426B2
Application number: JP2013111749A
Authority: JP
Inventors: 和生大角
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2013-05-28
Filing date: 2013-05-28
Publication date: 2017-04-26
Anticipated expiration: 2033-05-28
Also published as: JP2014231751A

Description

本発明は、ディーゼル排ガスの後処理としての尿素ＳＣＲシステムに係り、特に、高温域でのＮＯｘの浄化率を向上させることができる尿素ＳＣＲシステムに関するものである。

ディーゼル排ガスに含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）を無害化する装置の１つとして、尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction；以下ＳＣＲと略記）が実用化されている。

図４は、ＳＣＲを用いたディーゼル排ガスの後処理システムを示したものである。ディーゼル排ガスの後処理システムは、ディーゼルエンジンの排気管１０に、ＤＯＣ（酸化触媒）１１、ＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）１２、ＳＣＲ１３が順に接続され、そのＳＣＲ１３の上流側に尿素噴射ノズル１４を設けて構成される。

ディーゼルエンジンからの排ガスは、ＤＯＣ１１内で、排ガス中の未燃焼燃料（ＨＣ）や、一酸化炭素（ＣＯ）等が酸化された後、排ガス中のＰＭ（パティキュレートマター）がＤＰＦ１２で捕集される。次に、排ガスがＳＣＲ１３に流入する際、ＳＣＲ１３の入口側の尿素噴射ノズル１４から噴射された尿素水が、排ガスの熱で加水分解されてアンモニアとなり、そのアンモニアと排ガス中のＮＯｘとが、ＳＣＲ１３内のＳＣＲ触媒で、反応して窒素と水とに還元されて無害化されてテールパイプから排気される。

またＤＰＦ１２で捕集したＰＭが一定量堆積したときは、堆積したＰＭを除去すべくＤＰＦ１２を強制再生することが行われている。ＤＰＦ１２の再生は、多段噴射、ポスト噴射、排気管噴射等を行い、排ガス中の燃料（ＨＣ）をＤＯＣ１１で酸化燃焼させて排ガス温度を５００℃以上に上げ、ＤＰＦ１２に堆積したＰＭを燃焼除去するものである。

この尿素ＳＣＲシステムにおいては、排ガスの温度が、低温（１５０℃）から高温（６００℃）まで広範囲の温度でＮＯｘ浄化率の向上が求められている。

しかし、尿素の分解（融点）温度は、１３２．７℃であり、排ガス温度が低温域では、尿素の加水分解反応が促進しないため、ＳＣＲの前段に尿素加水分解触媒を配設し、排ガス温度が低温（１００〜１５０℃）でも尿素の加水分解反応を促進させて尿素からアンモニアの生成率を高めたり（特許文献１）、また特許文献２に提案されるように、ＳＣＲ触媒の担体に、直接尿素水を送液して浸透させることで、加水分解を促進させる（特許文献２）ことが提案されている。

また、ＤＰＦ再生時など排ガス温度が高温（５００℃以上）のときには、ＳＣＲ触媒へのアンモニアストレージ量が低下するためＮＯｘ浄化率が悪くなる。そこで、ＤＰＦ再生時のアンモニアスリップを防止するために、尿素水の噴射を制御する（特許文献３）ことが提案されている。

特開２００６−２１２５９１号公報特開２０１０−２６５８５６号公報特開２０１２−２０６５号公報特開２０１２−１０１１５７号公報

しかしながら、このＤＰＦ再生時の高温域では、ＮＯｘ浄化が十分に行われない問題がある。

そこで、高温域で触媒活性のあるＳＣＲ触媒の開発がなされているが、現状では、触媒種を選定しても５００℃以上でＮＯｘ浄化率を向上させるＳＣＲ触媒は得られていない。

従って従来は、ＳＣＲの断面積を大きくして、排ガスの線速度下げるなど、排ガスとＳＣＲ触媒の接触確率を向上させて対応しているが、高温域でのＮＯｘ浄化率を向上させるものではなく、装置の大型化が避けられない問題がある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、高温域でのＮＯｘ浄化率を向上できる尿素ＳＣＲシステムを提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、エンジンの排気管に、ＤＯＣ、ＤＰＦ、ＳＣＲを接続し、ＳＣＲの上流側に尿素噴射ノズルを設けた尿素ＳＣＲシステムにおいて、ＳＣＲの下流側にアンモニアを改質するアンモニア改質触媒を設け、排ガスが低温のときに前記ＳＣＲ内でＮＯｘを浄化し、排ガスが高温のとき、アンモニア改質触媒で未反応アンモニアを改質して水素を生成し、その水素でＮＯｘを浄化することを特徴とする尿素ＳＣＲシステムである。

前記アンモニア改質触媒は、担体に、アンモニアを窒素と水素に分解するアンモニア分解触媒と、排ガス中の酸素とＣＯとを反応させるＣＯ酸化触媒とが担持され、そのＣＯ酸化触媒で、排ガス中の酸素とＣＯとを反応させてＣＯ₂とし、その雰囲気でアンモニア分解触媒が、未反応アンモニアを分解して水素を生成させるのが好ましい。

前記アンモニア改質触媒は、アルミナからなる担体に、アンモニア分解触媒としてのＮｉ又はＲｕイオンを含浸させた後、乾燥し、さらにその担体に、ＣＯ酸化触媒としての貴金属イオンを含浸させた後、これを乾燥し、焼成して形成されるのが好ましい。

ＤＰＦにＰＭが堆積したとき、ポスト噴射又は排気管噴射を行って、排ガス温度を上昇させてＤＰＦを再生させ、その再生中に、酸素濃度に応じたＣＯをＤＰＦで生成し、ＣＯ酸化触媒で排ガス中の酸素とＣＯとを反応させ、アンモニア分解触媒で、未反応アンモニアを分解して水素を生成させてＮＯｘを浄化するのが好ましい。

本発明は、ＳＣＲでＮＯｘを浄化するにおいて、ＤＰＦ再生時など排ガスが高温域になっても排ガス中のＮＯｘを除去できるという優れた効果を発揮する。

本発明の尿素ＳＣＲシステムの装置の要部概略図を示す図である。本発明の尿素ＳＣＲシステムにおける触媒構成の概略を示す図である。本発明の尿素ＳＣＲシステムにおける排ガス温度に対するＮＯｘ除去率を示す図である。従来の尿素ＳＣＲシステムの装置構成を示す図である。

以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１は、本発明の尿素ＳＣＲシステムの装置の要部概略図を示したもので、基本構成は図４で説明したディーゼル排ガスの後処理システムと同じであり、機能が同じものは同一符号を付して説明する。

図１において、ディーゼルエンジンの排気管１０には、ＤＯＣ（酸化触媒）１１、ＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）１２、ＳＣＲ１３が順に接続され、そのＳＣＲ１３の上流側の排気管１０内に尿素噴射ノズル１４が設けられてディーゼル排ガスの後処理システムが構成される。

本発明においては、ＳＣＲ１３の下流側にアンモニアを改質するアンモニア改質触媒１５を設けたものである。またアンモニア改質触媒１５の下流側には、排ガス中に残った未反応のアンモニアを酸化するためのアンモニアスリップ触媒（酸化触媒）１６が設けられる。

アンモニア改質触媒１５は、図２に示すように基材２０にアルミナ等の担体２１を保持し、その担体２１に、アンモニア分解触媒２２を担持させた後、そのアンモニア分解触媒２２上にＣＯ酸化触媒２３を担持させたものである。

すなわち、セラミックスでハニカム状に形成した基材２０の流路１８となる面に担体２１としてのアルミナを保持し、そのアルミナに、Ｎｉ又はＲｕ等の金属イオンを含浸させた後、乾燥し、さらに、そのアルミナに貴金属イオンを含浸させた後、これを乾燥し、焼成することで、基材２０の各流路１８の内面に、アンモニア分解触媒２２とＣＯ酸化触媒２３が担持されアンモニア改質触媒１５とされる。

このように、本発明は、従来のＳＣＲに、アンモニアの改質を合わせた構造とすることで、排ガスが低温域のときには、ＳＣＲ１３により、排ガス中のＮＯｘを、尿素の加水分解で生成したアンモニアで除去し、ＤＰＦ１２の再生時など、排ガス温度が５００℃以上の高温域では、ＳＣＲ１３でのＮＯｘ浄化率が落ちるため、アンモニア改質触媒１５で、ＳＣＲ１３で未反応のアンモニアを水素と窒素に分解し、その水素で、ＮＯｘを除去するものである。これにより低温域から高温域まで高効率でＮＯｘを浄化することが可能となる。

このアンモニアの改質は、排ガス温度が５００℃以上から反応が活発になるので、従来の尿素ＳＣＲと反応が競合することはない。

アンモニア分解触媒２２によるアンモニアの改質（分解）は、
２ＮＨ₃→Ｎ₂＋３Ｈ₂
の反応である。

このＨ₂を用いて、排ガス中のＮＯｘを、
ＮＯｘ＋Ｈ₂→Ｎ₂＋Ｈ₂Ｏ
の反応で浄化する。

排ガス中の酸素がリッチなると酸化雰囲気となるため、これらの反応が進みにくくなるので、ＥＧＲ（排気再循環）にて排ガス中の酸素濃度を低くする。しかし、それでも酸素濃度が高いときには、ＣＯ酸化触媒２３にて、
２ＣＯ＋Ｏ₂→２ＣＯ₂
の反応で、上記の反応の前にＯ₂を、ＣＯと反応させてＣＯ₂を生成させておく。

なお、ポスト噴射や排気管噴射で、排ガス中に生じたＨＣは、すでに５００℃以上であり、これらの反応には影響しない。

図４は、本発明の尿素ＳＣＲシステムと従来の尿素ＳＣＲシステムにおけるＳＣＲ入口温度に対するＮＯｘ浄化率を比較したものである。

従来の尿素ＳＣＲシステムでは、点線の曲線ｂで示したように、ＮＯｘ浄化率は、温度が２００℃以上で、ＮＯｘ浄化率が１００％近くに上昇し、４５０℃以上となるとその浄化率が急減に落ちる特性となる。これに対して本発明の尿素ＳＣＲシステムでは、ＳＣＲで未反応で残ったアンモニアをアンモニア改質触媒が改質して、水素と窒素に分解し、その改質で生じた水素で、ＮＯｘを浄化するため８００℃の高温域でもＮＯｘ浄化率を略９０％に保つことができる。

１０排気管
１１ＤＯＣ
１２ＤＰＦ
１３ＳＣＲ
１４尿素噴射ノズル
１５アンモニア改質触媒

Claims

エンジンの排気管に、ＤＯＣ、ＤＰＦ、ＳＣＲを接続し、ＳＣＲの上流側に尿素噴射ノズルを設けた尿素ＳＣＲシステムにおいて、ＳＣＲの下流側にアンモニアを改質するアンモニア改質触媒を設け、排ガスが低温のときに前記ＳＣＲ内でＮＯｘを浄化し、排ガスが高温のとき、アンモニア改質触媒で未反応アンモニアを改質して水素を生成し、その水素でＮＯｘを浄化することを特徴とする尿素ＳＣＲシステム。
前記アンモニア改質触媒は、担体に、アンモニアを窒素と水素に分解するアンモニア分解触媒と、排ガス中の酸素とＣＯとを反応させるＣＯ酸化触媒とが担持され、そのＣＯ酸化触媒で、排ガス中の酸素とＣＯとを反応させてＣＯ₂とし、その雰囲気でアンモニア分解触媒が、未反応アンモニアを分解して水素を生成させる請求項１記載の尿素ＳＣＲシステム。
前記アンモニア改質触媒は、アルミナからなる担体に、アンモニア分解触媒としてのＮｉ又はＲｕイオンを含浸させた後、乾燥し、さらにその担体に、ＣＯ酸化触媒としての貴金属イオンを含浸させた後、これを乾燥し、焼成して形成される請求項２記載の尿素ＳＣＲシステム。
ＤＰＦにＰＭが堆積したとき、ポスト噴射又は排気管噴射を行って、排ガス温度を上昇させてＤＰＦを再生させ、その再生中に、酸素濃度に応じたＣＯをＤＰＦで生成し、ＣＯ酸化触媒で排ガス中の酸素とＣＯとを反応させ、アンモニア分解触媒で、未反応アンモニアを分解して水素を生成させてＮＯｘを浄化する請求項２記載の尿素ＳＣＲシステム。