JP5258426B2 - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの排気浄化装置に関し、詳細には、窒素酸化物（以下「ＮＯｘ」という。）及びパティキュレートの大気中への放出をシステム全体としてコンパクトな構成により抑制するための技術に関する。

エンジンの排気を後処理により浄化する装置として、排気中のＮＯｘをアンモニアにより低減させる選択触媒還元（ＳＣＲ）型の排気浄化装置が知られている。この排気浄化装置では、排気通路にＮＯｘの還元触媒が設置されるとともに、このＮＯｘ還元触媒の上流に尿素水の供給装置が、下流にアンモニア浄化用の酸化触媒が設置される。供給装置により排気に添加された尿素の加水分解によりアンモニアが生じ、このアンモニアが還元剤としてＮＯｘ還元触媒に供給される。他方、ＮＯｘの還元に寄与せずにＮＯｘ還元触媒を通過したアンモニア（スリップアンモニア）は、大気中への放出前にアンモニア浄化触媒により酸化され、浄化される。

今後更に厳しさを増す排ガス規制の対応として、ＳＣＲ型の排気浄化装置にパティキュレートフィルタを追加することが考えられる。このパティキュレートフィルタは、主にディーゼルエンジンから排出されるディーゼルパティキュレートを排気のろ過により捕集し、低減させるものである。しかしながら、ＮＯｘ還元触媒（及びその下流のアンモニア浄化触媒）に対して単にパティキュレートフィルタを併設しただけでは、システム全体としての大型化が避けられず、車載が困難であったり、重量が過度に増加するなどの問題が生じる。

この問題に関連して、パティキュレートフィルタにＮＯｘ還元触媒を担持させ、パティキュレートの捕集機能及びＮＯｘの還元機能をパティキュレートフィルタに併有させることが検討されている。このような触媒担持型のパティキュレートフィルタとして、特許文献１には、ウォールフロー型のものにおいて、入口側のセル通路を形成するフィルタ担体の内壁に尿素の加水分解触媒を担持させる一方、出口側のセル通路を形成する担体内壁にＮＯｘ還元触媒を担持させたものが記載されている。
特開２００６−１８３５０７号公報（図２）

しかしながら、特許文献１に記載の排気浄化装置では、パティキュレートフィルタとしてのパティキュレート捕集能力を確保するため、フィルタ担体自体に大きな容量が必要であるうえ、この触媒担持型のパティキュレートフィルタに加えてアンモニア浄化触媒が別途必要となることから、システム全体が依然大掛かりとなり、重量もかさむという問題がある。

本発明は、以上の問題を考慮したエンジンの排気浄化装置を提供するものであり、尿素による選択触媒還元に関する一連の化学反応をフィルタ担体内で効率的に行わせることを可能として、ＮＯｘ及びパティキュレートの大気中への放出をシステム全体としてコンパクトな構成により抑制することを目的とする。

本発明に係るエンジンの排気浄化装置は、排気中のパティキュレートをろ過により捕集可能な隔壁により画成された、排気の流れに沿う複数のセル通路を有し、隣り合うセル通路を目封じ材により入口側又は出口側で交互に閉塞させて構成されたフィルタ担体を備える。ここで、本発明では、フィルタ担体において、入口側で開口するセル通路である入口側通路の内壁の、入口側の端縁を含む第１の部分と、前記目封じ材により形成される前記フィルタ担体の入口側の端面とに尿素の加水分解触媒を担持させるとともに、この入口側通路の内壁のうち、第１の部分よりも下流側の第２の部分に第１のＮＯｘ還元触媒を担持させる。そして、フィルタ担体において、出口側で開口するセル通路である出口側通路の内壁のうち、第１の部分に対してフィルタ担体に流入する排気の流れに交差する方向に重なり合い、第１の部分よりも下流側にまで延在する第３の部分に第２のＮＯｘ還元触媒を担持させるとともに、この出口側通路の内壁のうち、第３の部分よりも下流側であって、第２の部分に対して前記排気の流れに交差する方向に重なり合う第４の部分に酸化触媒を担持させる。

本発明では、入口側通路の内壁の第１の部分及びフィルタ担体の入口側の端面に担持させた加水分解触媒により尿素の加水分解を生じさせ、これにより発生したアンモニアを第１及び第２のＮＯｘ還元触媒に供給して、ＮＯｘを効率的に還元させることができる。
具体的には、第１及び第２のＮＯｘ還元触媒は、第１の部分よりも下流側の入口側通路の内壁部分（第２の部分）と、出口側通路の内壁部分（第３の部分）とに担持させている。ここで、第３の部分は、第１の部分に対してフィルタ担体に流入する排気の流れに交差する方向に重なり合い、第１の部分よりも下流側にまで延在することから、第１の部分からフィルタ担体の隔壁を通過するアンモニアについては第２のＮＯｘ還元触媒に供給し、それ以外のアンモニアについては第１のＮＯｘ還元触媒に供給して、ＮＯｘの還元に寄与させることができる。そして、本発明では、第３の部分よりも下流側の出口側通路の内壁部分（第４の部分）に担持させた酸化触媒によりスリップアンモニアを酸化させ、これが未浄化のまま大気中に放出されるのを回避することができる。

このように、本発明によれば、尿素の加水分解、ＮＯｘの還元及びスリップアンモニアの酸化を含む、尿素による選択触媒還元に関する一連の化学反応をフィルタ担体内で行わせることが可能となるので、ＮＯｘ及びパティキュレートの大気中への放出を、所要のＮＯｘ転化率を確保しつつ、システム全体としてコンパクトな構成により抑制することができる。

以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るエンジン（以下「エンジン」という。）１の構成を示している。本実施形態では、エンジン１として直噴型のディーゼルエンジンを採用している。
吸気通路１１の導入部には、吸入空気中の粉塵を除去するためのエアクリーナ（図示せず。）が取り付けられている。また、吸気通路１１には、可変ノズル型のターボチャージャ１２のコンプレッサ１２ａが設置されており、このコンプレッサ１２ａにより圧縮された吸入空気は、サージタンク１３を介してマニホールド部に流入し、各気筒に分配される。

エンジン本体のシリンダヘッドには、燃料供給用のインジェクタ２１，２１・・・が気筒毎に設置されている。インジェクタ２１は、エンジン１のコントロールユニット（以下「ＥＣＵ」という。）１０１からの燃料噴射制御信号により作動する。図示しない燃料ポンプにより送り出された燃料は、コモンレール２２を介してインジェクタ２１に供給され、各気筒の燃焼室に噴射される。

排気通路３１には、マニホールド部の下流にターボチャージャ１２のタービン１２ｂが設置されており、排気によりこのタービン１２ｂが駆動されることで、コンプレッサ１２ａが回転する。
タービン１２ｂの下流には、本実施形態に係る「排気浄化装置」としてのディーゼルパティキュレートフィルタ（「パティキュレートフィルタ」に相当し、以下「ＤＰＦ」という。）３２が設置されている。ＤＰＦ３２には、円筒状のフィルタ担体３２１が内蔵されており、このフィルタ担体３２１には、アンモニアによるＮＯｘの還元反応を促進させるための触媒（ＮＯｘ還元触媒）が担持されている。エンジン１の排気がこのＤＰＦ３２を通過する際に、フィルタ担体３２１により排気中のパティキュレートが捕集されるとともに、ＮＯｘ還元触媒により排気中のＮＯｘが還元される。

また、排気通路３１は、ＥＧＲ管３３により吸気通路１１（本実施形態では、サージタンク１３）と接続されている。このＥＧＲ管３３を介して排気が吸気通路１１に還流される。ＥＧＲ管３３には、ＥＧＲ弁３４が介装されており、これにより還流される排気の流量が制御される。
以下、本実施形態に係る排気浄化システムの構成及び排気浄化のプロセスについて説明する。

本実施形態に係る排気浄化システムは、ＤＰＦ３２のフィルタ担体３２１により排気中のパティキュレートを捕集するとともに、フィルタ担体３２１に担持させたＮＯｘ還元触媒により排気中のＮＯｘを還元し、浄化するものである。尿素水タンク４１が設けられており、還元剤としてのアンモニアは、尿素水タンク４１に尿素水溶液の状態で貯蔵されている。尿素添加ユニット４２に対し、尿素水供給管を介して尿素水タンク４１に貯蔵されている尿素水が供給される。本実施形態において、尿素添加ユニット４２及び次の尿素水噴射ノズル４４は、エアアシスト式のインジェクタを構成するものであり、尿素添加ユニット４２には、電動式のフィードポンプが内蔵されている。尿素添加ユニット４２に供給された尿素水は、図示しないエアタンクから空気供給管４３を介して供給された圧縮空気と混合され、尿素水噴射ノズル４４を介して排気中に噴射される。噴射された尿素水中の尿素が排気熱により加水分解を生じ、アンモニアを発生させる。尿素水噴射ノズル４４は、ＤＰＦ３２の上流で排気通路３１の管壁を内側に向けて貫通させて設置されており、その噴射方向は、特に限定されるものではないが、排気の流れと平行に、フィルタ担体３２１の上流側の端面に向けて設定されている。本実施形態では、尿素添加ユニット４２及び尿素水噴射ノズル４４により尿素水の「供給装置」が構成される。

なお、尿素の添加形態は、ここで説明したエアアシスト式によるものに限らず、尿素添加ユニット４２（及び空気供給管４３）に代えて噴射圧力形成用の昇圧ポンプを設け、このポンプにより所定の圧力にまで昇圧させた尿素水を尿素水噴射ノズルにより噴射させるものであってもよい。このような形態において、尿素水の「供給装置」は、昇圧ポンプ及び尿素水噴射ノズルにより構成される。

図２は、ＤＰＦ３２の構成を、フィルタ担体３２１の中心軸を含む縦方向断面により示している。
本実施形態において、ＤＰＦ３２は、パティキュレートの捕集機能とＮＯｘの還元機能とを併有するものである。フィルタ担体３２１は、ウォールフロー型のハニカム担体であり、パティキュレートを捕集可能な大きさの細孔を有する隔壁により、内部が排気の流れに沿う複数のセル通路ｐ１，ｐ２に画成されている。この細孔により、排気がフィルタ担体３２１の隔壁を通過する際の通路が形成される。隣り合うセル通路ｐ１，ｐ２が目封じ材３２２，３２２により入口側又は出口側で交互に閉塞されることで、入口側で開口するセル通路（以下「入口側通路」という。）ｐ１と、出口側で開口するセル通路（以下「出口側通路」という。）ｐ２とが形成されている。入口側通路ｐ１は、ＤＰＦ３２よりも上流側の排気通路に連通し、出口側通路ｐ２は、ＤＰＦ３２よりも下流側の排気通路に連通している。

フィルタ担体３２１には、担体内部における排気の流れに沿って機能の異なる複数の触媒ｃ１〜ｃ４が担持されている。具体的には、入口側通路ｐ１を形成するフィルタ担体３２１の内壁のうち、入口側通路ｐ１の上流部を形成する部分（「第１の部分」に相当する。）に尿素の加水分解触媒ｃ１を担持させるとともに、この入口側の内壁部分よりも下流側の部分（「第２の部分」に相当する。）にＮＯｘ還元触媒ｃ２を担持させている。また、出口側通路ｐ２を形成する担体内壁のうち、出口側通路ｐ２の上流部を形成する部分（「第３の部分」に相当する。）にＮＯｘ還元触媒ｃ３を担持させるとともに、この出口側の内壁部分よりも下流側の部分（「第４の部分」に相当する。）に酸化触媒ｃ４が担持されている。この酸化触媒ｃ４は、ＮＯｘの還元に寄与せずにＮＯｘ還元触媒ｃ２，ｃ３を通過したスリップアンモニアを浄化するためのものである。

更に、本実施形態では、尿素の加水分解触媒ｃ１を入口側の内壁部分に加え、フィルタ担体３２１の入口側の端面３２１ａにも担持させることとしている。図３は、フィルタ担体３２１を排気の流れに関する上流側から見た状態で示している。このように、本実施形態では、尿素の加水分解触媒ｃ１を、目封じ材３２２及び隔壁により形成されるフィルタ担体３２１の端面３２１ａ全体に亘って担持させている。

なお、本実施形態では、入口側の内壁部分に担持させるＮＯｘ還元触媒ｃ１が「第１のＮＯｘ還元触媒」に、出口側の内壁部分に担持させるＮＯｘ還元触媒ｃ２が「第２のＮＯｘ還元触媒」に夫々相当する。また、出口側の内壁部分に担持させる酸化触媒ｃ４が「第１の酸化触媒」に相当する。
図１に戻り、尿素添加ユニット４２の動作は、排気浄化用のＥＣＵ１０１からの指令信号（尿素添加制御信号）により制御される。ＥＣＵ１０１は、マイクロコンピュータを内蔵した電子制御ユニットとして構成されており、ＥＣＵ１０１には、図示しないエンジン制御用のＥＣＵから、エンジン１の運転条件に関する信号（エンジン回転数ＮＥ及び燃料噴射量ＱＦに即した信号）が入力されるとともに、ＤＰＦ３２の上流における排気温度Ｔｅｘｈを検出するための排気管内温度センサ１５１からの信号が入力される。ＥＣＵ１０１は、入力した信号をもとにエンジン１の運転条件に応じた最適な尿素水噴射量を算出し、尿素添加ユニット４２に対し、算出した尿素水噴射量に即した尿素添加制御信号を出力する。

次に、本実施形態に係るシステムによる排気浄化のプロセスを、図２を参照して説明する。
エンジン１の運転時において、排気に対し、尿素添加ユニット４２及び尿素水噴射ノズル４４によりエンジン１の運転条件に応じた量の尿素水が供給される。この尿素水中の尿素が入口側の内壁部分（第１の部分）に担持させた加水分解触媒ｃ１上で加水分解を生じ、還元剤であるアンモニアが発生する。本実施形態では、尿素の加水分解触媒ｃ１を入口側の内壁部分に加え、排気が接触し易いフィルタ担体３２１の入口側の端面３２１ａにも担持させているため、アンモニアは、担体内部ばかりでなく、このフィルタ担体３２１の端面３２１ａ上でも発生する。発生したアンモニアの一部は、図中矢印Ｆａで示すように、加水分解触媒ｃ１が担持された内壁部分からフィルタ担体３２１の隔壁を通過して、出口側のＮＯｘ還元触媒ｃ３に供給される。他方、それ以外のアンモニアは、図中矢印Ｆｂで示すように、入口側のＮＯｘ還元触媒ｃ２に供給され、このＮＯｘ還元触媒ｃ２が担持された内壁部分（第２の部分）から隔壁を通過する。入口側及び出口側のＮＯｘ還元触媒ｃ２，ｃ３によりＮＯｘの還元反応が促進され、排気中のＮＯｘが低減される。各ＮＯｘ還元触媒ｃ２，ｃ３によるＮＯｘの還元に寄与しなかったスリップアンモニアは、出口側通路ｐ２の最下流部を形成する担体内壁に担持させた酸化触媒ｃ４により浄化される。

なお、尿素の加水分解、ＮＯｘの還元及びスリップアンモニアの酸化を含む本実施形態の選択触媒還元に関する一連の化学反応は、次の（１）〜（３）式により表される。
（ＮＨ_２）_２ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ → ２ＮＨ_３＋ＣＯ_２ ・・・（１）
ＮＯ＋ＮＯ_２＋２ＮＨ_３ → ２Ｎ_２＋３Ｈ_２Ｏ ・・・（２）
４ＮＨ_３＋３Ｏ_２ → ２Ｎ_２＋６Ｈ_２Ｏ ・・・（３）
本実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。

本実施形態では、フィルタ担体３２１の入口側の内壁部分及び入口側の端面３２１ａに担持させた加水分解触媒ｃ１により尿素の加水分解を生じさせるとともに、これにより発生したアンモニアを入口側及び出口側の内壁部分のそれぞれに担持させたＮＯｘ還元触媒ｃ１，ｃ２に供給して、ＮＯｘを還元させることができる。
具体的には、本実施形態では、加水分解触媒ｃ１を担持させたフィルタ担体３２１の内壁部分よりも下流側の内壁部分（第２の部分）と、出口側の内壁部分（第３の部分）とのそれぞれにＮＯｘ還元触媒ｃ２，ｃ３を担持させている。ここで、出口側のＮＯｘ還元触媒ｃ３は、加水分解触媒ｃ１を担持させた内壁部分に対してフィルタ担体３２１に流入する排気の流れに交差する方向に重なり合い、かつ下流側にずらした部分に担持させている。従って、加水分解触媒ｃ１を担持させた内壁部分からフィルタ担体３２１の隔壁を通過するアンモニアについては出口側のＮＯｘ還元触媒ｃ３に供給し、それ以外のアンモニアについては入口側のＮＯｘ還元触媒ｃ２に供給して、ＮＯｘの還元に寄与させることができる。そして、本実施形態では、出口側通路ｐ２の最下流部を形成する担体内壁に担持させた酸化触媒ｃ４によりスリップアンモニアを酸化させ、これが未浄化のまま大気中に放出されるのを回避することができる。

このように、本実施形態によれば、尿素の加水分解触媒ｃ１、入口側及び出口側のＮＯｘ還元触媒ｃ２，ｃ３、ならびにスリップアンモニア浄化用の酸化触媒ｃ４を、尿素による選択触媒還元に関する一連の化学反応の順に配置したため、スリップアンモニアの処理を含め、排気中のＮＯｘをフィルタ担体３２１内で効率的に浄化することができる。また、本実施形態によれば、ＮＯｘの還元に加え、排気中のパティキュレートをフィルタ担体３２１により捕集して除去することができるため、ＮＯｘ及びパティキュレートの大気中への放出を、システム全体としてコンパクトな構成により抑制することが可能である。

また、本実施形態では、尿素の加水分解触媒ｃ１を入口側の内壁部分に加え、フィルタ担体３２１の入口側の端面３２１ａにも担持させている。この入口側の端面３２１ａは、
排気の流れに対向していることから、排気に接触し易い。従って、この端面３２１ａに担持させた加水分解触媒ｃ１によりアンモニアの発生量を補うことができるので、担体内壁に担持させる加水分解触媒ｃ１を減少させ、ＮＯｘ還元触媒ｃ２を担持させる入口側の内壁部分を確保することができる。

なお、以上の構成に加え、ＤＰＦ３２の上流に「第２の酸化触媒」としての酸化触媒を設置してもよい。この酸化触媒は、排気中の炭化水素及び一酸化炭素を酸化するとともに、排気中の一酸化窒素を、二酸化窒素（以下「ＮＯ２」という。）を主とするＮＯｘに転換して、排気に含まれるＮＯとＮＯ２との比率をＮＯｘの還元反応に最適なものに調整するためのものである。

本発明は、直噴型のディーゼルエンジンに限らず、副室型等他の形式のディーゼルエンジン及びガソリンエンジンに適用することができる。

本発明の一実施形態に係るディーゼルエンジンの概略構成図 同上実施形態に係る排気浄化装置としてのディーゼルパティキュレートフィルタの縦方向断面図 同上実施形態に係るフィルタ担体の正面拡大図

符号の説明

１…ディーゼルエンジン、１１…吸気通路、１２…ターボチャージャ、１２ａ…コンプレッサ、１２ｂ…タービン、１３…サージタンク、２１…インジェクタ、２２…コモンレール、３１…排気通路、３２…「排気浄化装置」としてのディーゼルパティキュレートフィルタ、３２１…フィルタ担体、３２１ａ…フィルタ担体の入口側の端面、３２２…目封じ材、３３…ＥＧＲ管、３４…ＥＧＲ弁、４１…尿素水タンク、４２…尿素添加ユニット、４４…尿素水噴射ノズル、１０１…排気浄化システムのコントロールユニット、１５１…排気管内温度センサ、ｃ１…尿素の加水分解触媒、ｃ２…「第１のＮＯｘ還元触媒」としてのＮＯｘ還元触媒、ｃ３…「第２のＮＯｘ還元触媒」としてのＮＯｘ還元触媒、ｃ４…「第１の酸化触媒」としての酸化触媒、ｐ１…入口側通路、ｐ２…出口側通路。

Claims (3)

1. 排気中のパティキュレートをろ過により捕集可能な隔壁により画成された、排気の流れ
   に沿う複数のセル通路を有し、隣り合うセル通路を目封じ材により入口側又は出口側で交
   互に閉塞させて構成されたフィルタ担体と、
   前記フィルタ担体において、前記入口側で開口するセル通路である入口側通路の内壁の
   、入口側の端縁を含む第１の部分と、前記目封じ材により形成される前記フィルタ担体の
   入口側の端面と、に担持された尿素の加水分解触媒と、
   前記フィルタ担体において、前記入口側通路の内壁のうち、前記第１の部分よりも下流
   側の第２の部分に担持された第１のＮＯｘ還元触媒と、
   前記フィルタ担体において、前記出口側で開口するセル通路である出口側通路の内壁の
   うち、前記第１の部分に対して前記フィルタ担体に流入する排気の流れに交差する方向に
   重なり合い、前記第１の部分よりも下流側にまで延在する第３の部分に担持された第２の
   ＮＯｘ還元触媒と、
   前記フィルタ担体において、前記出口側通路の内壁のうち、前記第３の部分よりも下流
   側であって、前記第２の部分に対して前記排気の流れに交差する方向に重なり合う第４の
   部分に担持された第１の酸化触媒と、
   を含んで構成されるエンジンの排気浄化装置。
2. 請求項１に記載の排気浄化装置と、
   エンジンの排気に対し、前記排気浄化装置の上流側で尿素水を供給可能に配設された尿
   素水の供給装置と、
   を含んで構成される排気浄化システム。
3. 前記排気浄化装置の上流側に設けられた第２の酸化触媒を更に含んで構成される請求項
   ２に記載の排気浄化システム。

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