JP2009243316A - 排気ガス浄化装置及びその排気ガス浄化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
ＳＣＲ触媒に流入するＮＯ濃度とＮＯ_２濃度の比率を高精度に制御することで、還元剤を大気中に放出させることなくＮＯｘの浄化率を向上させることのできる排気ガス浄化装置及びその排気ガス浄化方法を提供する。
【解決手段】
内燃機関の排気流路中に設けられた排気ガス浄化装置は、酸素供給手段と、前記酸素供給手段の下流に配置された酸化触媒と、該酸化触媒の下流側に配置された還元剤添加手段と、該還元剤添加手段の下流側に配置されたＳＣＲ触媒と、を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の排気ガス浄化装置及びその排気ガス浄化方法に関する。特に、酸化触媒及びＳＣＲ触媒を用いて、内燃機関から排出される排気ガス中のＮＯｘを浄化する排気ガス浄化装置及びその排気ガス浄化方法に関する。

近年、環境汚染対策面から、ディーゼルエンジン等の内燃機関（以下、エンジンともいう）に対しては、低燃費に加えて、排出される排気ガス中に含まれる窒素酸化物（以下、ＮＯｘという）の低減が強く求められている。しかし、この両方の要求に応えるためにはエンジンそのものだけでの対応はすでに限界に近く、排気ガスの後処理装置（排気ガス浄化装置）が必要となる。特に燃費とＮＯｘはトレードオフの関係にあるため、ＮＯｘを大幅に低減できる排気ガス浄化装置があれば燃費を向上することができる。
そこで、このＮＯｘを低減する手段の一つとして、排気ガス中に尿素水を還元剤として添加し、尿素の加水分解により発生するアンモニア（ＮＨ_３）により、ＮＯｘを窒素（Ｎ_２）と水（Ｈ_２Ｏ）に選択還元するＮＯｘ触媒、いわゆる尿素ＳＣＲ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）触媒を用いた、ＮＯｘ低減を行う排気ガス浄化装置が知られている。

上記のような排気ガス浄化装置として、例えば特許文献１や非特許文献１に開示される、酸化触媒と、ＳＣＲ触媒と、尿素水を還元剤として噴射する装置とを備える排気ガス浄化装置が知られている。

この排気ガス浄化装置は、ＳＣＲ触媒によるＮＯｘの浄化を効率的に行うため、排気ガス中のＮＯ成分を酸化触媒にてＮＯ_２に酸化した後、排気ガス中に尿素水を噴射し、その後ＳＣＲ触媒によりＮＯｘをＮ_２に還元し浄化するように構成されている。
ここで、ＳＣＲ触媒での反応は、２ＮＨ_３＋ＮＯ＋ＮＯ_２→２Ｎ_２＋３Ｈ_２Ｏに従うため、ＮＯとＮＯ_２とのモル比が１：１で最も浄化効率が向上することが知られている。
また、通常エンジンから排出される排気ガス中のＮＯｘ濃度は、ＮＯ_２よりＮＯの濃度の方が高いため、酸化触媒では、２ＮＯ＋Ｏ_２→２ＮＯ_２の反応により、排気ガス中のＮＯの一部をＮＯ_２に変化させている。これにより、ＮＯとＮＯ_２の濃度の比率を揃えた状態でＳＣＲ触媒に流入させることでＮＯｘの浄化率向上を図っている。
特開２００４−１００６９９号公報 平田公信ら，「大型車ディーゼルの尿素選択還元システム」，自動車技術，ＶＯＬ，６０，Ｎｏ．９，２００６，ＰＰ２８−３３

しかしながら、上記特許文献１及び非特許文献１に開示されている酸化触媒によりＮＯを酸化するだけでは、上述した最適なＮＯ濃度とＮＯ_２濃度の比率となるようにきめ細かく調整することが困難であった。すなわち、排気ガスの温度やエンジンの運転状況等によって、排気ガス中のＮＯ濃度とＮＯ_２濃度の比率は変動するにも関わらず、それを考慮することなく、酸化触媒の排気下流にあるＳＣＲ触媒に流入させるものとなっていた。そのため、ＳＣＲ触媒で効率的に還元することができず、ＮＯｘの浄化率を必ずしも高くすることができないという場合もあった。

また、ＮＯｘの浄化が十分に行われない場合には、還元剤として添加する尿素の一部が使用されず、アンモニアとして大気中に放出されるおそれがあり（アンモニアスリップ現象）、これを回避するためにＳＣＲ触媒の排気下流側にアンモニアを取り除くための酸化触媒がさらに必要となってしまうという問題もあった。

本発明は、ＳＣＲ触媒に流入するＮＯ濃度とＮＯ_２濃度の比率を高精度に制御することで、還元剤を大気中に放出させることなくＮＯｘの浄化率を向上させることのできる排気ガス浄化装置及びその排気ガス浄化方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、第１発明に係る排気ガス浄化装置は内燃機関の排気流路中に設けられており、酸素供給手段と、前記酸素供給手段の下流に配置された酸化触媒と、該酸化触媒の下流側に配置された還元剤添加手段と、該還元剤添加手段の下流側に配置されたＳＣＲ触媒と、を備えているものである。

この発明によれば、酸素供給手段から酸化触媒に酸素を供給することで、酸化触媒におけるＮＯからＮＯ_２への酸化反応を促進させることができる。すなわち、これまでエンジンの運転状況等によりＮＯ濃度が高く酸素の供給律速により十分にＮＯ_２への酸化反応ができなかった場合でも、効率的に酸化することができ、ＳＣＲ触媒における還元反応に最適なＮＯとＮＯ_２のモル比に積極的に近づけ、ＮＯｘの浄化率を向上させることができる。

なお、ＮＯとＮＯ_２は、化学反応などで相互に変換したり、比較的同様の特性を示すことが多く、一緒に取り扱ったほうが便利であるため、ここでいうＮＯｘとはＮＯとＮＯ_２という２種類の気体を指す。

また、第２発明に係る排気ガス浄化装置は、第１発明において、前記酸素供給手段は、固体電解質と、該固体電解質を挟むように設けられた多孔質の電極と、を有する酸素供給装置により構成されている。

この発明によれば、一方の電極を排気系の外部（外気側）に、他方の電極を排気系の内部(排気ガス側)に晒すように設置し、電圧を印加することで外気側から取り込んだ酸素イオンが固体電解質中を伝導し、排気ガス中に酸素として放出することで、酸素を積極的に供給することができ、ＮＯｘの浄化率を向上させることができる。また、電極を多孔質とすることにより、固体電解質外気及び排気ガスとの接触面積を増加させ、より効率的に酸素を供給することができ、さらにＮＯｘの浄化率を向上させることができる。

また、第３発明に係る排気ガス浄化装置は、第２発明において、前記固体電解質は安定化ジルコニウムであり、前記電極はＰｔにより形成されている。これによって、エンジンから排出される高温の排気ガスに対して、耐熱性及び耐食性に優れ、安定して酸素の供給を行うことができ、ＮＯｘの高い浄化率を維持することができる。

また、第４発明に係る排気ガス浄化装置は、第１発明〜第３発明において、前記ＳＣＲ触媒に流入する排気ガス中のＮＯ濃度及びＮＯ_２濃度を測定するための測定手段をさらに有しており、前記測定手段は、前記ＳＣＲ触媒の上流側に設置された少なくとも１つ以上のＮＯｘセンサと、該ＮＯｘセンサによって測定されたＮＯｘ濃度の値から、前記ＳＣＲ触媒に流入する排気ガス中のＮＯ濃度及びＮＯ_２濃度を算出する演算手段と、を備えている。

これによって、排気ガス中のＮＯｘ濃度を直接的に、かつ、リアルタイムで測定することができ、ＮＯｘの浄化率をチェックするとともに、その結果をフィードバックすることで、よりＮＯｘの浄化率を高めることができる。

また、第５発明に係る排気ガス浄化装置は、第４発明において、前記ＳＣＲ触媒の上流側にさらに温度センサを備えている。

これによって、排気ガス中の温度を直接的に測定することでより精度よくＮＯｘ濃度を測定することができ、よりＮＯｘの浄化率を高めることができる。また、温度に応じたＮＯｘ濃度のデータを予め用意しておき、これを用いて算出することで、１つのＮＯｘセンサでＮＯ濃度とＮＯ_２濃度を同時に測定することが可能となり、ＮＯｘセンサの数を減らすこともできる。

また、第６発明に係る排気ガス浄化装置は、第４発明または第５発明において、前記酸素供給手段は、前記ＮＯ濃度と前記ＮＯ_２濃度の値に対応させて、前記酸素供給量を設定するための設定手段をさらに備えている。

これによって、排気ガス中の実際のＮＯｘ濃度の値に応じて、供給する酸素の量を精度よく調整し、ＳＣＲ触媒に流入するＮＯ濃度とＮＯ_２濃度を上述の理想の比率に近づけることができ、さらにＮＯｘの浄化率を高めることができる。

また、第７発明に係る排気ガス浄化装置は、第４発明〜第６発明において、前記還元剤添加手段は、前記ＮＯ濃度と前記ＮＯ_２濃度の値に対応させて、前記還元剤の添加量を設定するための設定手段をさらに備えている。

これによって、排気ガス中の実際のＮＯｘ濃度の値に応じて、還元剤の噴射量を精度よく調整することにより、高いＮＯｘの浄化率を維持しつつ、還元剤（例えばアンモニア）が未反応のまま大気中に放出されることを防止することができる。また、未反応の還元剤を浄化するための触媒も不要となり、装置をさらに小型かつ低コストにすることが可能となる。

また、第８発明に係る排気ガス浄化方法は第１発明の排気ガス浄化装置を用いて、内燃機関から排出される排気ガスを浄化する内燃機関の排気ガス浄化方法であって、該ＳＣＲ触媒に流入する排気ガス中のＮＯ濃度とＮＯ_２濃度を測定し、該ＮＯ濃度と該ＮＯ_２濃度の値に対応させて、前記酸素供給手段からの酸素供給量を設定する排気ガスの浄化方法である。

これによって、排気ガス中の実際のＮＯｘ濃度の値に応じて、供給する酸素の量を精度よく調整することで、ＳＣＲ触媒に流入するＮＯ濃度とＮＯ_２濃度を上述の理想のモル比率に近づけることができ、ＮＯｘの浄化率を高めることができる。

本発明によれば、ＳＣＲ触媒に流入するＮＯ濃度とＮＯ_２濃度の比率を高精度に制御することで、還元剤を大気中に放出させることなくＮＯｘの浄化率を向上させることのできる排気ガス浄化装置及びその排気ガス浄化方法を提供することができる。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における排気ガス浄化装置を模式的に説明するための図である。この排気ガス浄化装置３０は、尿素を用いて排気中のＮＯｘを窒素ガス等に還元し浄化する尿素選択還元触媒を用いた装置である。また、図１において、エンジン１１は、例えばディーゼルエンジンである。

同図に示すように、排気ガス浄化装置３０は、エンジン１１から排出される排気ガス中のＮＯをＮＯ_２に酸化する酸化触媒１６と、その下流には排気ガス中のＮＯｘをＮ_２とＨ_２Ｏに還元するＳＣＲ触媒２１から構成されている。

ここで、酸化触媒１６の入口近傍には酸素供給装置１５が設けられている。これにより、所定の酸素を供給することで、酸化触媒１６におけるＮＯからＮＯ_２への酸化反応を促進することができる。なお、酸素の供給量は制御装置（ＥＣＵ）１３によって電圧を調整することにより制御されている。

また、ＳＣＲ触媒２１の入口には、還元剤である尿素を添加するための尿素添加装置１９が設けられており、ＳＣＲ触媒でのＮＯｘ還元による浄化に必要となる尿素の噴霧量を制御装置（ＥＣＵ）１４により制御している。なお、尿素は尿素タンク２０に貯留されている。

さらに、酸化触媒１６とＳＣＲ触媒２１の間には、ＮＯｘセンサ１７ａと１７ｂとが配置されている。この２つのＮＯｘセンサからの電流変化率は、酸素の供給量を制御する制御装置（ＥＣＵ）１３と尿素の噴霧量を制御する制御装置（ＥＣＵ）１４に読み出され、予め入力されている感度に基づいて、ＮＯ濃度とＮＯ_２濃度が算出される。このＮＯ濃度及びＮＯ_２濃度に基づいて、酸素供給装置１５が作動して最適な量の酸素を供給することで、酸化触媒１６通過後の排気ガス中のＮＯとＮＯ_２のモル比が１：１になるように制御している。これにより、ＳＣＲ触媒２１でのＮＯｘの還元反応が効率的に行われ、ＮＯｘの浄化率を向上させることができる。

また、同様に、このＮＯ濃度及びＮＯ_２濃度に基づいて、尿素添加装置１９が作動して、最適な量の尿素を供給することで、ＳＣＲ触媒２１におけるＮＯｘの還元反応に必要となる尿素量を適切に制御することができる。これにより、反応に使用されなかった尿素が、アンモニアとして大気中に放出されるいわゆるアンモニアスリップ現象を防止することができ、さらにスリップしたアンモニアを浄化するために設置されるＳＣＲ触媒後段の酸化触媒等も不要となり、装置をさらに小型かつ低コストにすることが可能となる。

ここでは、２つのＮＯｘセンサを使用してＮＯ濃度とＮＯ_２濃度の算出について説明したが、1つのＮＯｘセンサと1つの温度センサ（図示せず）を用いて、ＮＯｘセンサから検出された電流変化率と温度センサからの温度データを基に、予め入力されている感度に基づいてＮＯ濃度とＮＯ_２濃度を算出することも可能である。
なお、ＮＯｘセンサはいずれの方式のものを用いてもよく、公知のＮＯｘセンサを流用することができる。

また、このディーゼルエンジンは、排気ガス再循環装置（ＥＧＲ）が設けられ（図示せず）、燃料噴射の制御のために制御装置（ＥＣＵ）１２が配置されている。従って、酸素供給量を制御する制御装置（ＥＣＵ）１３及び尿素の噴霧量を制御する制御装置（ＥＣＵ）１４は、この制御装置（ＥＣＵ）１２と共通化することもできる。

上記の通り、当該排気ガス浄化装置３０を用いた排気ガス浄化方法によれば、エンジン１１の運転条件により刻々と変化する排気ガス中のＮＯｘ濃度の状態にリアルタイムに追随して高精度で酸素供給量及び尿素噴霧量を制御することで、ＮＯｘの浄化率を向上させるとともに、アンモニアスリップ現象の発生を防止することができる。

（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態１に係る酸素供給装置１５の要部構成断面図である。同図に示すように、酸素供給装置１５は、固体電解質３１と、それを挟む２つの多孔質の電極３２ａ及び３２ｂと、電極３２ａ及び３２ｂに電圧を印加する配線３３とにより構成されている。

ここで、固体電解質３１は安定化ジルコニウムにより形成されており、図に示すように、固体電解質３１の一方の面を排気管内に、他方の面を大気側になるように設置されている。また、電極３２ａ及び３２ｂはＰｔにより形成されており、電極３２ａは排気管内、電極３２ｂは大気側に設置されている。

また、電極３２ａ及び３２ｂは酸素の供給量を制御する制御装置（ＥＣＵ）１３に配線３３によって接続されており、制御装置（ＥＣＵ）１３によって所定の電圧が印加される。電極３２ａ及び３２ｂに電圧が印加されると、固体電解質中を大気側から排気管内に向けて酸素イオンが伝導し、結果として大気側から排気管内に酸素が取り込まれ、排気ガス中に酸素が供給されることになる。

また、電極３２ａ及び３２ｂが多孔質であるため、固体電解質３１が排気ガス及び大気と接触する表面積を大きくすることができ、酸素を効率的に供給する点で有利である。

また、上述の通り、制御装置（ＥＣＵ）１３はＮＯｘセンサ１７ａ及び１７ｂから検出された電流変化率と温度センサからの温度データを基に、予め入力されている感度に基づいてＮＯ濃度とＮＯ_２濃度を算出し、酸化触媒１６通過後の排気ガス中のＮＯとＮＯ_２のモル比が１：１になるように電極３２ａ及び３２ｂに電圧を印加し、適当な酸素を供給するように制御されている。

以上の酸素供給装置１５を用いることで、エンジン１１の運転条件により刻々と変化する排気ガス中のＮＯｘ濃度の状態にリアルタイムに追随して適切な量の酸素を供給することで、ＮＯｘの浄化を行うことができる。また、耐熱性及び耐食性に優れているため、ＮＯｘの浄化率を長期間に亘って安定して維持することができる。

（実施の形態３）
図３は本発明の実施の形態２に係る酸素供給装置の変形例を示す要部構成断面図である。なお、図２と同一符号のものは、同一又は相当物であり、以下の説明を省略する。図２では、酸素供給装置１５が酸化触媒１６と一体として構成されている点で異なっている。

酸素供給装置１５は、酸化触媒１６の触媒担持体２２の上流側に配置され、固体電解質３１の一方の面を酸化触媒内（排気ガス中）に、他方の面を大気側になるように設置されており、多孔質である電極３２ａは酸化触媒内（排気ガス中）、電極３２ｂは大気側に設置されている。
このように酸化触媒１６と一体化することにより、排気ガス浄化装置をより一層小型化することができる。また、酸化触媒１６と酸素供給装置１６が近づくことで、より効率よく酸化反応を促進することができ、全体としてよりＮＯｘの浄化をさらに効率よく行うことができる。

上記開示された本発明の実施の形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明の排気ガス浄化装置は、車両や船舶等の内燃機関から発生するの排気ガス中のＮＯｘを浄化することができる。

本発明の実施の形態１における排気ガス浄化装置を模式的に説明するための図である。 本発明の実施の形態２に係る酸素供給装置の要部構成断面図である。 本発明の実施の形態２に係る酸素供給装置の変形例を示す要部構成断面図である。

符号の説明

１１ エンジン
１２ 制御装置（ＥＣＵ）
１３ 制御装置（ＥＣＵ）
１４ 制御装置（ＥＣＵ）
１５ 酸素供給装置
１６ 酸化触媒
１７ａ ＮＯｘセンサ
１７ｂ ＮＯｘセンサ
１９ 尿素噴霧装置
２０ 尿素タンク
２１ ＳＣＲ触媒
２２ 酸化触媒担持体
３０ 排気ガス浄化装置
３１ 固体電解質
３２ａ 電極
３２ｂ 電極
３３ 配線

Claims (8)

1. 内燃機関の排気流路中に設けられた排気ガス浄化装置であって、
   酸素供給手段と、前記酸素供給手段の下流に配置された酸化触媒と、該酸化触媒の下流側に配置された還元剤添加手段と、該還元剤添加手段の下流側に配置されたＳＣＲ触媒と、を有することを特徴とする排気ガス浄化装置。
2. 前記酸素供給手段は、固体電解質と、該固体電解質を挟むように設けられた多孔質の電極と、を有する酸素供給装置である請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
3. 前記固体電解質は安定化ジルコニウムであり、前記電極はＰｔで形成されている請求項２に記載の排気ガス浄化装置。
4. 前記ＳＣＲ触媒に流入する排気ガス中のＮＯ濃度及びＮＯ_２濃度を測定するための測定手段をさらに有しており、
   前記測定手段は、
   前記ＳＣＲ触媒の上流側に設置された少なくとも１つ以上のＮＯｘセンサと、
   該ＮＯｘセンサによって測定されたＮＯｘ濃度の値から、前記ＳＣＲ触媒に流入する排気ガス中のＮＯ濃度及びＮＯ_２濃度を算出する演算手段と、
   を備える請求項１〜３のいずれか１項に記載の排気ガス浄化装置。
5. 前記ＳＣＲ触媒の上流側にさらに温度センサを備えている請求項４に記載の排気ガス浄化装置。
6. 前記酸素供給手段は、前記ＮＯ濃度と前記ＮＯ_２濃度の値に対応させて、前記酸素供給量を設定するための設定手段をさらに備えている請求項４または５に記載の排気ガス浄化装置。
7. 前記還元剤添加手段は、前記ＮＯ濃度と前記ＮＯ_２濃度の値に対応させて、前記還元剤の添加量を設定するための設定手段をさらに備えている請求項４〜６のいずれか１項に記載の排気ガス浄化装置。
8. 請求項１に記載の排気ガス浄化装置を用いて、内燃機関から排出される排気ガスを浄化する内燃機関の排気ガス浄化方法であって、
   該ＳＣＲ触媒に流入する排気ガス中のＮＯ濃度とＮＯ_２濃度を測定し、該ＮＯ濃度と該ＮＯ_２濃度の値に対応させて、前記酸素供給手段からの酸素供給量を設定することを特徴とする排気ガス浄化方法。

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