WO2010070957A1 - 排気浄化装置 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to an exhaust purification device that uses ammonia produced from an aqueous urea solution by hydrolysis to reduce and purify nitrogen oxides (NOx) in the exhaust.
- Patent Document 1 As a catalyst purification system for removing NOx contained in engine exhaust, an exhaust purification device described in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-27627 (Patent Document 1) has been proposed.
- urea aqueous solution corresponding to the engine operating state is injected and supplied upstream of the NOx reduction catalytic converter disposed in the exhaust pipe, and the urea aqueous solution is obtained by hydrolysis using exhaust heat and water vapor in the exhaust.
- ammonia As a reducing agent.
- ammonia and NOx are selectively reduced to purify NOx into harmless water (H 2 O) and nitrogen (N 2 ).
- an exhaust purification device that improves the NOx purification efficiency by devising the coating structure of the ammonia adsorbent, hydrolysis catalyst, and NOx reduction catalyst coated on the support of the NOx reduction catalytic converter The purpose is to provide.
- a catalytic converter that reduces and purifies NOx in exhaust using ammonia generated from the aqueous urea solution by hydrolysis
- a urea aqueous solution tank that stores the aqueous urea solution
- a catalytic converter An injection nozzle that injects and supplies urea aqueous solution upstream of the exhaust gas, and a urea aqueous solution supply device that supplies the urea aqueous solution stored in the urea aqueous solution tank to the injection nozzle at a flow rate according to the engine operating state
- the catalyst converter carrier is coated with an ammonia adsorbent on a predetermined length portion on the exhaust inflow side, while the NOx reduction catalyst is coated on the remaining portion on the exhaust outflow side.
- the first layer containing the ammonia adsorbent and the NOx reduction catalyst in a mixed state and the hydrolysis catalyst are contained on the support converter surface of the catalytic converter. Are coated in this order.
- the ammonia generated from the urea aqueous solution by hydrolysis is adsorbed by the ammonia adsorbent coated on the exhaust inflow side of the catalytic converter carrier.
- the ammonia adsorbed on the ammonia adsorbent is released and supplied to the NOx reduction catalyst coated on the exhaust outlet side of the carrier. Is done.
- the one that has not been converted to ammonia by hydrolysis is the second layer coated on the support surface of the catalytic converter. In contact with the hydrolysis catalyst, it is converted to ammonia.
- ammonia is adsorbed by the ammonia adsorbent contained in the first layer.
- the transition period of the engine operating state when ammonia generation cannot follow a rapid SV change, the ammonia adsorbed by the ammonia adsorbent is separated and supplied to the NOx reduction catalyst contained in the same first layer. . For this reason, the NOx purification efficiency in the transition period of the engine operating state can be improved.
- 1 is a schematic configuration diagram of an exhaust emission control device to which the present technology is applied. It is explanatory drawing of the coating method of an ammonia adsorption material and a NOx reduction catalyst. It is explanatory drawing of an effect
- FIG. 1 shows a schematic configuration of an exhaust purification apparatus to which the present technology is applied.
- the exhaust pipe 14 connected to the exhaust manifold 12 of the engine 10 uses a nitrogen oxidation catalytic converter 16 that oxidizes nitrogen monoxide (NO) to nitrogen dioxide (NO 2 ) along the exhaust flow direction, and ammonia.
- a NOx reduction catalytic converter 18 that reduces and purifies NOx in the exhaust, and an ammonia oxidation catalytic converter 20 that oxidizes ammonia that has passed through the NOx reduction catalytic converter 18 are arranged in this order.
- the exhaust pipe 14 positioned between the nitrogen oxidation catalyst converter 16 and the NOx reduction catalyst converter 18 is provided with an injection nozzle 22 for injecting and supplying an aqueous urea solution upstream of the exhaust of the NOx reduction catalyst converter 18.
- a urea aqueous solution stored in a urea aqueous solution tank 26 is supplied to the injection nozzle 22 via a urea aqueous solution supply device 24 having a built-in electric pump and a flow rate control valve.
- the urea aqueous solution supply device 24 is provided with a reducing agent addition control unit (hereinafter referred to as “DCU”) having a built-in computer so as to supply the urea aqueous solution stored in the urea aqueous solution tank 26 to the injection nozzle 22 at a flow rate corresponding to the engine operating state.
- DCU reducing agent addition control unit
- the DCU 28 also receives an exhaust temperature signal from a temperature sensor 30 attached to the exhaust pipe 14 positioned between the nitrogen oxidation catalytic converter 16 and the injection nozzle 22, and controls the engine 10 electronically.
- ECU receives an engine speed signal and a fuel injection flow rate signal.
- the DCU 28 calculates the urea aqueous solution addition flow rate according to the exhaust temperature, the engine rotation speed, and the fuel injection flow rate according to a control program stored in a ROM (Read Only Memory) or the like, and supplies the urea aqueous solution based on the calculation result.
- the electric pump and flow control valve of the device 24 are controlled.
- the urea aqueous solution injected and supplied from the injection nozzle 22 in accordance with the engine operating state is hydrolyzed using exhaust heat and water vapor in the exhaust gas to generate ammonia.
- ammonia and NOx in the exhaust selectively react with each other, and the NOx is purified into harmless H 2 O and N 2 .
- NO is oxidized into NO 2 by the nitrogen oxidation catalytic converter 16, and the ratio of NO to NO 2 in the exhaust is suitable for the reduction reaction. Improved.
- the ammonia that has passed through the NOx reduction catalytic converter 18 is oxidized by the ammonia oxidation catalytic converter 20 disposed downstream of the exhaust of the NOx catalytic converter 18, so that the ammonia is suppressed from being released into the atmosphere as it is. .
- the honeycomb-shaped carrier 18A is coated with an ammonia adsorbent A on a predetermined length portion on the exhaust inflow side, while the exhaust gas is exhausted.
- the remaining part on the outflow side is coated with the NOx reduction catalyst B.
- the ammonia adsorbent A any compound having a strong solid acid can be applied, but ZSM-5, mordenite, ⁇ , etc., which are a kind of zeolite having a relatively high ammonia adsorption ability, are applied. It is desirable to do.
- the NOx reduction catalyst B for example, as described in JP-A-7-275656 and JP-A-10-235206, a catalyst mainly composed of titanium oxide and vanadium oxide or tungsten oxide is applied. can do.
- Each component applied as the ammonia adsorbent A and the NOx reduction catalyst B is adjusted to an appropriate particle size by a known pulverizer such as a dry pulverizer or a wet pulverizer, and then coated on the carrier 18A.
- each component is mixed with a solvent such as water to form a slurry, which is applied to the carrier 18A, and then dried and heat-treated at a predetermined temperature for baking.
- each component may be mixed with a certain amount of alumina, silica sol, or the like as a so-called “binder material” that improves adhesion to the carrier 18A.
- ammonia generated from the urea aqueous solution by hydrolysis is adsorbed by the ammonia adsorbent A coated on the exhaust inflow side of the carrier 18A.
- the ammonia adsorbed on the ammonia adsorbent A is released, and the NOx reduction catalyst coated on the exhaust outlet side of the carrier 18A.
- the NOx reduction catalyst B causes a reduction reaction between NOx and ammonia, and in particular, improves the NOx purification efficiency in the transitional period of the engine operating state. be able to. Therefore, the NOx purification efficiency can be improved in a wide range of engine operating conditions.
- the ammonia adsorbent A and the NOx reduction catalyst B are mixed on the surface of the carrier 18A.
- the first layer that is contained and the second layer that contains the hydrolysis catalyst C may be coated in this order.
- the hydrolysis catalyst C for example, titanium dioxide added with vanadium pentoxide, aluminum oxide and / or silicon oxide can be applied as described in JP-T-2002-514495. In particular, it is desirable to apply titanium dioxide having a vanadium pentoxide content of 0.02 to 1.3% by weight.
- the method of coating the first layer and the second layer on the surface of the carrier 18A is the same as that shown in FIG. 2, so refer to the description thereof.
- urea aqueous solution injected and supplied from the injection nozzle 22 one that has not been converted into ammonia by hydrolysis is brought into contact with the hydrolysis catalyst C in the second layer coated on the surface of the carrier 18 ⁇ / b> A. And converted. And when the engine 10 is performing steady operation, ammonia is adsorbed by the ammonia adsorbent A contained in the first layer. In the transitional period of the engine operating state, when ammonia generation cannot follow a rapid SV change, the ammonia adsorbed on the ammonia adsorbent A is released and becomes the NOx reduction catalyst B contained in the same first layer. Supplied.
- the NOx reduction catalyst B causes a reduction reaction between NOx and ammonia, and in particular, improves the NOx purification efficiency in the transitional period of the engine operating state. be able to. Therefore, the NOx purification efficiency can be improved in a wide range of engine operating conditions.
- the ammonia adsorbent A, the NOx reduction catalyst B, and the hydrolysis catalyst C are coated on the honeycomb-shaped carrier 18A, but diesel that collects and removes particulate matter (PM) in the exhaust gas. These may be coated on a particulate filter (DPF).
- PM particulate matter
- DPF particulate filter
- the NOx reduction catalyst B is coated on the DPF in the JE05 mode (comparative technique), as shown in FIG. NOx purification efficiency was measured for those subjected to (first embodiment) and those subjected to coating as shown in FIG. 4 (second embodiment). Then, as shown in FIG. 5, it was confirmed that the NOx purification efficiency was improved in a wide range of engine operation with respect to the comparative technique. As can be seen from the figure, the improvement in NOx purification efficiency is particularly apparent in the region where the DPF inlet temperature is low.
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Abstract
排気中のNOxを還元浄化する触媒コンバータの担体に、排気流入側の所定長部分にアンモニア吸着材をコーティングする一方、排気流出側の残りの部分にNOx還元触媒をコーティングする。また、触媒コンバータの担体表面に、アンモニア吸着材及びNOx還元触媒が混合状態で含有される第1の層と、加水分解触媒が含有される第2の層と、をこの順番でコーティングする。そして、エンジン運転状態の過渡期において、アンモニア吸着材に吸着されているアンモニアを使用してNOxを還元浄化する。
Description
本発明は、加水分解により尿素水溶液から生成されるアンモニアを使用して、排気中の窒素酸化物(NOx)を還元浄化する排気浄化装置に関する。
エンジンの排気に含まれるNOxを除去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。この排気浄化装置では、排気管に配設されたNOx還元触媒コンバータの排気上流にエンジン運転状態に応じた尿素水溶液を噴射供給し、排気熱及び排気中の水蒸気を用いた加水分解により、尿素水溶液から還元剤たるアンモニアを生成する。そして、NOx還元触媒コンバータにおいて、アンモニアとNOxとを選択的に還元反応させ、NOxを無害な水(H2O)及び窒素(N2)へと浄化する。
ところで、エンジン運転状態の過渡期においては、急激なSV(空間速度)変化にアンモニアの生成が追従できないため、NOx還元触媒コンバータに加水分解機能やアンモニア吸着機能を付加し、NOx浄化効率を向上させようという試みがなされている。しかしながら、NOx還元触媒コンバータに加水分解機能やアンモニア吸着機能を付加しても、広範なエンジン運転状態において、尿素水溶液からアンモニアを生成する加水分解が十分なされているとは断言できず、期待されるNOx浄化効率が得られていないのが実情であった。
そこで、従来技術の問題点に鑑み、NOx還元触媒コンバータの担体にコーティングされるアンモニア吸着材,加水分解触媒及びNOx還元触媒のコーティング構造を工夫することで、NOx浄化効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、本技術の第1態様では、加水分解により尿素水溶液から生成されるアンモニアを使用して、排気中のNOxを還元浄化する触媒コンバータと、尿素水溶液を貯蔵する尿素水溶液タンクと、触媒コンバータの排気上流に尿素水溶液を噴射供給する噴射ノズルと、エンジン運転状態に応じた流量でもって、尿素水溶液タンクに貯蔵される尿素水溶液を噴射ノズルへと供給する尿素水溶液供給装置と、を含んで構成される排気浄化装置において、触媒コンバータの担体に、排気流入側の所定長部分にアンモニア吸着材をコーティングする一方、排気流出側の残りの部分にNOx還元触媒をコーティングする。また、本技術の第2態様では、このような構成に代えて、触媒コンバータの担体表面に、アンモニア吸着材及びNOx還元触媒が混合状態で含有される第1の層と、加水分解触媒が含有される第2の層と、をこの順番でコーティングする。
本技術の第1態様によれば、エンジンが定常運転を行っているときには、加水分解により尿素水溶液から生成されたアンモニアは、触媒コンバータの担体の排気流入側にコーティングされたアンモニア吸着材に吸着される。そして、エンジン運転の過渡期において、急激なSV変化にアンモニア生成が追従できないときには、アンモニア吸着材に吸着されていたアンモニアが離脱して、担体の排気流出側にコーティングされたNOx還元触媒へと供給される。このため、尿素水溶液からアンモニアを生成する加水分解が十分行われなくても、NOx還元触媒でNOxとアンモニアとの還元反応が起こり、特に、エンジン運転状態の過渡期におけるNOx浄化効率を向上させることができる。
また、本技術の第2態様によれば、噴射ノズルから噴射供給された尿素水溶液のうち、加水分解によりアンモニアへと転化されなかったものは、触媒コンバータの担体表面にコーティングされた第2の層において、加水分解触媒と接触してアンモニアへと転化される。そして、エンジンが定常運転を行っているときには、アンモニアは第1の層に含有されるアンモニア吸着材に吸着される。エンジン運転状態の過渡期において、急激なSV変化にアンモニア生成が追従できないときには、アンモニア吸着材に吸着されていたアンモニアが離脱し、同じ第1の層に含有されるNOx還元触媒へと供給される。このため、エンジン運転状態の過渡期におけるNOx浄化効率を向上させることができる。
以下、添付された図面を参照して本技術を詳述する。
図1は、本技術の適用対象である排気浄化装置の概要構成を示す。
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コンバータ16と、アンモニアを使用して排気中のNOxを還元浄化するNOx還元触媒コンバータ18と、NOx還元触媒コンバータ18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コンバータ20と、がこの順番で配設される。
図1は、本技術の適用対象である排気浄化装置の概要構成を示す。
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コンバータ16と、アンモニアを使用して排気中のNOxを還元浄化するNOx還元触媒コンバータ18と、NOx還元触媒コンバータ18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コンバータ20と、がこの順番で配設される。
窒素酸化触媒コンバータ16とNOx還元触媒コンバータ18との間に位置する排気管14には、NOx還元触媒コンバータ18の排気上流に尿素水溶液を噴射供給する噴射ノズル22が取り付けられる。噴射ノズル22には、電動ポンプ及び流量制御弁が内蔵された尿素水溶液供給装置24を経由して、尿素水溶液タンク26に貯蔵された尿素水溶液が供給される。
尿素水溶液供給装置24は、エンジン運転状態に応じた流量でもって、尿素水溶液タンク26に貯蔵される尿素水溶液を噴射ノズル22へと供給すべく、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「DCU(Dosing Control Unit)」という)28により電子制御される。また、DCU28には、窒素酸化触媒コンバータ16と噴射ノズル22との間に位置する排気管14に取り付けられた温度センサ30から排気温度信号が入力されると共に、エンジン10を電子制御するエンジンコントロールユニット(ECU)32からエンジン回転速度信号及び燃料噴射流量信号が入力される。そして、DCU28は、ROM(Read Only Memory)などに記憶された制御プログラムに従って、排気温度,エンジン回転速度及び燃料噴射流量に応じた尿素水溶液添加流量を演算し、この演算結果に基づいて尿素水溶液供給装置24の電動ポンプ及び流量制御弁を制御する。
この排気浄化装置において、エンジン運転状態に応じて噴射ノズル22から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を利用して加水分解され、アンモニアが生成される。そして、NOx還元触媒コンバータ18において、アンモニアと排気中のNOxとが選択的に還元反応し、NOxが無害なH2O及びN2へと浄化される。このとき、NOx還元触媒コンバータ18におけるNOx浄化効率を向上させるべく、窒素酸化触媒コンバータ16によりNOがNO2へと酸化され、排気中のNOとNO2との比率が還元反応に適したものに改善される。一方、NOx還元触媒コンバータ18を通過したアンモニアは、NOx触媒コンバータ18の排気下流に配設されたアンモニア酸化触媒コンバータ20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が抑制される。
NOx還元触媒コンバータ18におけるNOx浄化効率を更に向上させるために、図2に示すように、ハニカム形状の担体18Aには、排気流入側の所定長部分にアンモニア吸着材Aがコーティングされる一方、排気流出側の残りの部分にNOx還元触媒Bがコーティングされる。ここで、アンモニア吸着材Aとしては、強い固体酸を持つ化合物であれば任意のものを適用できるが、比較的高いアンモニア吸着能力を持つゼオライトの一種であるZSM-5,モルデナイト及びβなどを適用することが望ましい。また、NOx還元触媒Bとしては、例えば、特開平7-275656号公報及び特開平10-235206号公報などに記載されるように、酸化チタン並びに酸化バナジウム若しくは酸化タングステンを主成分としたものを適用することができる。
アンモニア吸着材A及びNOx還元触媒Bとして適用される各成分は、例えば、乾式粉砕器や湿式粉砕器など公知の粉砕器で適正な粒径に調整された後、担体18Aにコーティングされる。このとき、各成分を水などの溶媒と混合してスラリー状にしてから担体18Aに塗布し、その後所定温度で乾燥及び熱処理を行って焼き付けする。この場合、各成分には、担体18Aとの密着性を向上させるいわゆる「バインダー材」として、アルミナやシリカゾルなどを一定量混合させてもよい。
エンジン10が定常運転を行っているときには、図3に示すように、加水分解により尿素水溶液からから生成されたアンモニアは、担体18Aの排気流入側にコーティングされたアンモニア吸着材Aに吸着される。そして、エンジン運転状態の過渡期において、急激なSV変化にアンモニア生成が追従できないときには、アンモニア吸着材Aに吸着されていたアンモニアが離脱して、担体18Aの排気流出側にコーティングされたNOx還元触媒Bへと供給される。このため、尿素水溶液からアンモニアを生成する加水分解が十分行われなくても、NOx還元触媒BでNOxとアンモニアとの還元反応が起こり、特に、エンジン運転状態の過渡期におけるNOx浄化効率を向上させることができる。従って、広範なエンジン運転状態において、NOx浄化効率を向上させることができる。
NOx還元触媒コンバータ18におけるNOx浄化効率を更に向上させるために、図2の構成に代えて、図4に示すように、担体18Aの表面に、アンモニア吸着材A及びNOx還元触媒Bが混合状態で含有される第1の層と、加水分解触媒Cが含有される第2の層と、をこの順番でコーティングしてもよい。ここで、加水分解触媒Cとしては、特表2002-514495号公報に記載されるように、例えば、五酸化バナジウム,酸化アルミニウム及び/又は酸化ケイ素を添加した二酸化チタンを適用することができるが、特に、五酸化バナジウムの含有量が0.02~1.3重量%である二酸化チタンを適用することが望ましい。なお、担体18Aの表面に第1の層及び第2の層をコーティングする方法は、図2に示すものと同様であるので、その説明を参照されたい。
噴射ノズル22から噴射供給された尿素水溶液のうち、加水分解によりアンモニアへと転化されなかったものは、担体18Aの表面にコーティングされた第2の層において、加水分解触媒Cと接触してアンモニアへと転化される。そして、エンジン10が定常運転を行っているときには、アンモニアは第1の層に含有されるアンモニア吸着材Aに吸着される。エンジン運転状態の過渡期において、急激なSV変化にアンモニア生成が追従できないときには、アンモニア吸着材Aに吸着されていたアンモニアが離脱して、同じ第1の層に含有されるNOx還元触媒Bへと供給される。このため、尿素水溶液からアンモニアを生成する加水分解が十分行われなくても、NOx還元触媒BでNOxとアンモニアとの還元反応が起こり、特に、エンジン運転状態の過渡期におけるNOx浄化効率を向上させることができる。従って、広範なエンジン運転状態において、NOx浄化効率を向上させることができる。
以上説明した実施形態では、アンモニア吸着材A、NOx還元触媒B及び加水分解触媒Cは、ハニカム形状の担体18Aにコーティングされているが、排気中の粒子状物質(PM)を捕集除去するディーゼルパティキュレートフィルタ(DPF)にこれらをコーティングするようにしてもよい。この場合、アンモニア吸着材A、NOx還元触媒B及び加水分解触媒Cの各成分の粒径やコーティング量は、DPFの実際の使用において、PMの捕集により圧力損失が生じることをふまえ、予め最適化されることが望ましい。
窒素酸化触媒コンバータ,DPF及びアンモニア酸化触媒コンバータが直列に配設される排気浄化装置において、JE05モードで、DPFに対してNOx還元触媒Bをコーティングしたもの(比較技術)、図2のようなコーティングを施したもの(第1実施形態)、及び、図4のようなコーティングを施したもの(第2実施形態)のNOx浄化効率を測定した。すると、図5に示すように、比較技術に対して、広範なエンジン運転領域でNOx浄化効率が向上したことが確認できた。NOx浄化効率の向上は、同図から明らかなように、特に、DPF入口温度が低い領域で顕著に現われている。
18 NOx還元触媒コンバータ
18A 担体
22 噴射ノズル
24 尿素水溶液供給装置
26 尿素水溶液タンク
A アンモニア吸着材
B NOx還元触媒
C 加水分解触媒
18A 担体
22 噴射ノズル
24 尿素水溶液供給装置
26 尿素水溶液タンク
A アンモニア吸着材
B NOx還元触媒
C 加水分解触媒
Claims (4)
- 加水分解により尿素水溶液から生成されるアンモニアを使用して、排気中の窒素酸化物を還元浄化する触媒コンバータと、
尿素水溶液を貯蔵する尿素水溶液タンクと、
前記触媒コンバータの排気上流に尿素水溶液を噴射供給する噴射ノズルと、
エンジン運転状態に応じた流量でもって、前記尿素水溶液タンクに貯蔵される尿素水溶液を前記噴射ノズルへと供給する尿素水溶液供給装置と、
を含んで構成され、
前記触媒コンバータの担体には、排気流入側の所定長部分にアンモニア吸着材がコーティングされる一方、排気流出側の残りの部分に窒素酸化物還元触媒がコーティングされたことを特徴とする排気浄化装置。 - 前記担体は、ディーゼルパティキュレートフィルタであることを特徴とする請求項1記載の排気浄化装置。
- 加水分解により尿素水溶液から生成されるアンモニアを使用して、排気中の窒素酸化物を還元浄化する触媒コンバータと、
尿素水溶液を貯蔵する尿素水溶液タンクと、
前記触媒コンバータの排気上流に尿素水溶液を噴射供給する噴射ノズルと、
エンジン運転状態に応じた流量でもって、前記尿素水溶液タンクに貯蔵される尿素水溶液を前記噴射ノズルへと供給する尿素水溶液供給装置と、
を含んで構成され、
前記触媒コンバータの担体表面には、アンモニア吸着材及び窒素酸化物還元触媒が混合状態で含有される第1の層と、加水分解触媒が含有される第2の層と、がこの順番でコーティングされたことを特徴とする排気浄化装置。 - 前記担体は、ディーゼルパティキュレートフィルタであることを特徴とする請求項3記載の排気浄化装置。
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