JP5409984B2

JP5409984B2 - 選択還元型触媒を用いた排ガス浄化装置

Info

Publication number: JP5409984B2
Application number: JP2005209343A
Authority: JP
Inventors: 信也佐藤
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2005-07-20
Filing date: 2005-07-20
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2025-07-20
Also published as: JP2007021422A

Description

本発明は、ディーゼルエンジンの排ガス中に含まれる窒素酸化物を尿素系液体と反応させて分解する選択還元型触媒を用いたエンジンの排ガス浄化装置に関するものである。

従来、ディーゼルエンジンの排ガス中に含まれる窒素酸化物（以下、「ＮＯｘ」という。）を低減させる排ガス浄化装置として、ディーゼルエンジンの排気通路の途中に選択還元型触媒を設け、その選択還元型触媒より排ガス上流側の排気管に、その選択還元型触媒に向けて尿素系液体を噴射可能な液体噴射ノズルを設けたディーゼルエンジンの排ガス浄化装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。従来の選択還元型触媒は、貫通孔が互いに平行に複数形成された担体と、触媒作用を有しその隔壁に担持された活性成分とを備える。そしてこの選択還元型触媒を備える従来のディーゼルエンジンの排ガス浄化装置では、液体噴射ノズルから噴射された尿素系液体が排ガスの熱により加熱されて加水分解し、アンモニアが生じる。そしてこのアンモニアは排ガス中のＮＯｘを選択還元型触媒によって浄化する還元剤として機能し、大気に排出されるＮＯｘの量を低減できるようになっている。

一方、このように排気通路の途中に選択還元型触媒を設けた排ガス浄化装置では、余剰のアンモニアが大気に直接放出されることを防止するために、その余剰のアンモニアを酸化するアンモニア酸化触媒を選択還元型触媒とは別にその選択還元型触媒より下流側の排気通路に設けることが行われている。そして、このアンモニア酸化触媒は還元剤として機能することなく選択還元型触媒を通過した余剰のアンモニアを酸化し、そのアンモニアが大気に直接放出されることを防止するようになっている。
特開２００４−２３９１０９号公報（段落番号［００１２］〜［００１５］、図２〜図４）

しかし、アンモニア酸化触媒を選択還元型触媒とは別にその選択還元型触媒より下流側の排気通路に設けることは、その排気通路の設ける触媒の数を増加させることになり、部品点数の増加から設計の自由度が失われ、設置すべき触媒の増加から触媒設置の工数が増加して単価が押し上げられる不具合があった。
本発明の目的は、独立したアンモニア酸化触媒の排気通路への取付けを不要にし得る選択還元型触媒を用いたエンジンの排ガス浄化装置を提供することにある。

請求項１に係る発明は、図２及び図４に示すように、ディーゼルエンジン１１の排気管１６に設けられた請求項１記載の選択還元型触媒２２と、選択還元型触媒２２より排ガス上流側の排気管１６に設けられ選択還元型触媒２２に向けて尿素系液体３２を噴射可能な液体噴射ノズル２９と、選択還元型触媒２２より排ガス上流側の排気管１６に設けられた酸化触媒５３と、選択還元型触媒２２より排ガス上流側であって酸化触媒５３より排ガス下流側の排気管１６に設けられたディーゼルパティキュレートフィルタ５１と、ディーゼルパティキュレートフィルタ５１の温度を所定値以上に上昇可能に構成されたフィルタ温度上昇手段とを備えたエンジンの排ガス浄化装置であって、選択還元型触媒２２が、多孔質の隔壁２３ａで仕切られた貫通孔２３ｂが互いに平行に複数形成された担体２３と、隔壁２３ａに担持されエンジン１１の排ガス中の窒素酸化物をアンモニアと反応させて分解するような触媒作用を有する第１活性成分２４とを備え、隔壁２３ａで仕切られた複数の貫通孔２３ｂの相隣接する入口部２３ｃと出口部２３ｄが交互に封止され、第１活性成分２４が担持された隔壁２３ａが通気性を有し一の貫通孔２３ｂの入口部２３ｃから流入した排ガスが隔壁２３ａを通過して一の貫通孔２３ｂに隣接する他の貫通孔２３ｂの出口部２３ｄから排出されるように構成され、隔壁２３ａを通過したアンモニアを酸化するような触媒作用を有する第２活性成分２６が他の貫通孔２３ｂの内面に担持され、排ガス温度が低いとき、アンモニアが排ガス中のＮＯｘと反応して生成される硝酸アンモニウムが粒子状固形物となって選択還元型触媒２２に堆積し、フィルタ温度上昇手段により排ガス中に増加した炭化水素が酸化触媒５３で酸化反応して、排ガスの温度及びフィルタ５１の温度が上昇することにより、選択還元型触媒２２に堆積した粒子状固形物である硝酸アンモニウムを２１０℃以上で燃焼して分解し、その一方、フィルタ５１に堆積したパティキュレートを６００℃を越える温度で燃焼するように構成されたことを特徴とする。

この請求項１に記載された選択還元型触媒では、排ガスがこの選択還元型触媒２２に流入すると、担体２３に担持された第１活性成分２４においてアンモニアが還元剤として機能し、排ガス中のＮＯ、ＮＯ₂は還元されてＮ₂ やＨ₂Ｏに変化し、ＮＯｘが大気にそのまま排出される量を低減する。一方、還元剤として機能することなく担体２３の隔壁２３ａを通過した余剰のアンモニア（ＮＨ₃）は、その隔壁２３ａを通過した後その貫通孔２３ｂの内面に担持された第２活性成分２６において酸化されてＮＯｘやＨ₂Ｏに変化し、アンモニアが大気にそのまま排出されることを防止する。この余剰のアンモニアを酸化する第２活性成分２６は担体２３に担持されるので、従来余剰のアンモニアを酸化させるために必要とされたアンモニア酸化触媒を選択還元型触媒の下流側に設置することを不要にすることができる。

また液体噴射ノズル２９から尿素系液体を噴射すると、その尿素系液体は加水分解してアンモニアが生じ、そのアンモニアは排ガス中のＮＯｘを選択還元型触媒２２によって浄化する還元剤として機能し、大気に排出されるＮＯｘの量を低減する。一方、選択還元型触媒２２に粒子状固形物の例えば硝酸アンモニウムが堆積するとその隔壁２３ａにおける細孔を詰まらせたりするけれども、選択還元型触媒２２より排ガス上流側の排気管１６に設けられた酸化触媒５３において排ガス中のＨＣ等が酸化することにより排ガスの温度は上昇し、選択還元型触媒２２に堆積した粒子状固形物の例えば硝酸アンモニウムを燃焼させ、その選択還元型触媒２２を再生させる。

更にディーゼルエンジン１１の排ガス中におけるパティキュレートをパティキュレートフィルタ５１により捕集して、そのパティキュレートが外部に排出されることを有効に防止することができる。また、液体噴射ノズルから尿素系液体を噴射すると、その尿素系液体は加水分解してアンモニアが生じ、そのアンモニアは排ガス中のＮＯｘを選択還元型触媒２２によって浄化する還元剤として機能し、大気に排出されるＮＯｘの量を低減することができる。
一方、選択還元型触媒２２に粒子状固形物の例えば硝酸アンモニウムが堆積するとその隔壁２３ａにおける細孔を詰まらせたり、その隔壁２３ａの表面を覆ってしまうことにより、ＮＯｘ浄化反応を阻害するおそれがある。また、ディーゼルパティキュレートフィルタ５１に捕集されたパティキュレートの量が増大すると、パティキュレートフィルタ５１を通る排気の流路抵抗が増大する。この場合には、フィルタ温度上昇手段によりパティキュレートフィルタ５１の温度を６００℃を越える温度に上昇させてパティキュレート燃焼させることによりパティキュレートフィルタ５１を再生するとともに、選択還元型触媒２２に堆積した粒子状固形物の例えば硝酸アンモニウムも同時に燃焼させ、その選択還元型触媒２２も同時に再生させることができる。また、選択還元型触媒２２に堆積した硝酸アンモニウムは２１０℃以上で燃焼し、温度が２１０℃以上に上昇した排ガスの熱により選択還元型触媒２２に堆積した粒子状固形物である硝酸アンモニウムは燃焼して分解し、これにより選択還元型触媒２２を再生することができる。

本発明の選択還元型触媒では、隔壁で仕切られた複数の貫通孔の相隣接する入口部と出口部を交互に封止し、第１活性成分が担持された隔壁が通気性を有し一の貫通孔の入口部から流入した排ガスが隔壁を通過して一の貫通孔に隣接する他の貫通孔の出口部から排出されるように構成され、隔壁を通過したアンモニアを酸化するような触媒作用を有する第２活性成分を他の貫通孔の内面に担持させたので、排ガスがこの選択還元型触媒に流入すると、担体に担持された第１活性成分においてアンモニアが還元剤として機能し、排ガス中のＮＯ、ＮＯ₂は還元されてＮ₂ やＨ₂Ｏに変化し、ＮＯｘが大気にそのまま排出される量を低減する。一方、還元剤として機能することなく担体の隔壁を通過した余剰のアンモニア（ＮＨ₃）は、その隔壁を通過した後他の貫通孔の内面に担持された第２活性成分において酸化されてＮＯｘやＨ₂Ｏに変化し、アンモニアが大気にそのまま排出されることを防止する。この余剰のアンモニアを酸化する第２活性成分は担体に担持されるので、従来余剰のアンモニアを酸化させるために必要とされたアンモニア酸化触媒を選択還元型触媒の下流側に設置することを不要にすることができる。

この選択還元型触媒と、選択還元型触媒より排ガス上流側の排気管に設けられ選択還元型触媒に向けて尿素系液体を噴射可能な液体噴射ノズルと、選択還元型触媒より排ガス上流側の排気管に設けられた酸化触媒とを備えたエンジンの排ガス浄化装置では、液体噴射ノズルから尿素系液体を噴射すると、その尿素系液体は加水分解してアンモニアが生じ、そのアンモニアは排ガス中のＮＯｘを選択還元型触媒によって浄化する還元剤として機能し、大気に排出されるＮＯｘの量を低減する。一方、選択還元型触媒に粒子状固形物の例えば硝酸アンモニウムが堆積するとその隔壁における細孔を詰まらせたりするけれども、酸化触媒において排ガス中のＨＣ等が酸化することにより排ガスの温度は上昇し、選択還元型触媒に堆積した粒子状固形物を燃焼させ、その選択還元型触媒を再生させることができる。

一方、この選択還元型触媒と、選択還元型触媒より排ガス上流側の排気管に設けられ選択還元型触媒に向けて尿素系液体を噴射可能な液体噴射ノズルと、選択還元型触媒より排ガス上流側の排気管に設けられたディーゼルパティキュレートフィルタと、ディーゼルパティキュレートフィルタの温度を所定値以上に上昇可能に構成されたフィルタ温度上昇手段とを備えたエンジンの排ガス浄化装置では、ディーゼルエンジンの排ガス中におけるパティキュレートをパティキュレートフィルタにより捕集して、そのパティキュレートが外部に排出されることを有効に防止することができる。また、液体噴射ノズルから尿素系液体を噴射すると、その尿素系液体は加水分解してアンモニアが生じ、そのアンモニアは排ガス中のＮＯｘを選択還元型触媒によって浄化する還元剤として機能し、大気に排出されるＮＯｘの量を低減することができる。一方、粒子状固形物の硝酸アンモニウム等が選択還元型触媒に堆積することもあるため、選択還元型触媒は定期的に再生させる必要があるけれども、フィルタ温度上昇手段により選択還元型触媒より排ガス上流側の排気管に設けられたディーゼルパティキュレートフィルタの温度を上昇させてディーゼルパティキュレートフィルタに堆積させたパティキュレートを燃焼させ、パティキュレートの燃焼によりディーゼルパティキュレートフィルタを通過する排ガスの温度を６００℃を越える温度に上昇させ、温度が上昇した排ガスの熱により選択還元型触媒に堆積した粒子状固形物の硝酸アンモニウム等を燃焼して分解させれば、パティキュレートフィルタを再生するとともに、選択還元型触媒も同時に再生させることができる。また、選択還元型触媒に堆積した硝酸アンモニウムは２１０℃以上で燃焼し、温度が２１０℃以上に上昇した排ガスの熱により選択還元型触媒に堆積した粒子状固形物である硝酸アンモニウムは燃焼して分解し、これにより選択還元型触媒を再生することができる。

次に本発明を実施するための最良の形態を参考の形態とともに図面に基づいて説明する。
＜参考の形態＞
図１に示すように、ディーゼルエンジン１１の吸気ポートには吸気マニホルド１２を介して吸気管１３が接続され、排気ポートには排気マニホルド１４を介して排気管１６が接続される。吸気管１３には、ターボ過給機１７のコンプレッサ１７ａと、ターボ過給機１７により圧縮された吸気を冷却するインタクーラ１８とがそれぞれ設けられ、排気管１６にはターボ過給機１７のタービン１７ｂが設けられる。図示しないがコンプレッサ１７ａの回転翼とタービン１７ｂの回転翼とはシャフトにより連結される。エンジン１１から排出される排ガスのエネルギによりタービン１７ｂ及びシャフトを介してコンプレッサ１７ａが回転し、このコンプレッサ１７ａの回転により吸気管１３内の吸入空気が圧縮されるように構成される。

図示しないが、エンジン１１には燃料噴射装置が設けられる。この参考の形態における燃料噴射装置は先端部がシリンダに臨みシリンダに燃料である軽油を噴射可能な筒内インジェクタと、内部に軽油を蓄圧し上記インジェクタに軽油を圧送するコモンレールと、このコモンレールに軽油を供給するフィードポンプとを有する。筒内インジェクタはこのインジェクタに内蔵された電磁弁により軽油の噴射量及び噴射時期が調整可能に構成される。この燃料噴射装置は、ピストンの上死点の後に燃料である軽油をシリンダに噴射するポスト噴射が可能に構成され、このポスト噴射の有無により、エンジン１１から排気管１６に供給される炭化水素を増減可能に構成される。排気管１６の途中には選択還元型触媒２２が設けられる。選択還元型触媒２２は排気管１６の直径を拡大した筒状のコンバータ２１に収容される。

図２に詳しく示すように、選択還元型触媒２２は、担体２３とこの担体２３に担持された触媒作用を有する第１及び第２活性成分２４，２６からなる。担体２３は例えばコージェライト、炭化ケイ素のようなセラミックからなる多孔質体からなり、多孔質の隔壁２３ａで仕切られた貫通孔２３ｂが互いに平行に複数形成される。この担体２３は、隔壁２３ａで仕切られた複数の貫通孔２３ｂの相隣接する入口部２３ｃと出口部２３ｄが交互に封止され、その多孔質体の隔壁２３ａに金属ゼオライト、金属アルミナのような第１活性成分２４がコーティングされることによりその隔壁２３ａに担持される。そして、隔壁２３ａは第１活性成分２４が担持された状態で通気性を有するように構成され、一の貫通孔２３ｂの入口部２３ｃから流入した排ガスが図の実線矢印で示すようにその隔壁２３ａを通過して一の貫通孔２３ｂに隣接する他の貫通孔２３ｂに流入し、その他の貫通孔２３ｂの出口部２３ｄから排出されるように構成される。

隔壁２３ａに担持された第１活性成分２４はエンジン１１の排ガス中のＮＯｘをアンモニア或いは尿素系液体と反応させて分解するように構成され、この例における第１活性成分２４は排気管１６に流入する排ガス中のＮＯｘを比較的低温で、例えば２００〜３００℃で還元するような金属ゼオライト、金属アルミナのようなものが用いられる。一方、隔壁２３ａを通過した排ガスが流入する他の貫通孔２３ｂの内面には第２活性成分２６が担持される。第２活性成分２６は隔壁２３ａを通過したアンモニアを酸化するような触媒作用を有するものであって、貴金属系ゼオライト、貴金属系アルミナ等のようなものが用いられる。

この選択還元型触媒２２の具体的な製造方法を説明すると、図３（ａ）に示すように、上記担体２３を第１活性成分２４となる金属ゼオライト、金属アルミナなどをスラリー化した第１液体中に完全に浸漬させ、その第１液体を入口部２３ｃ又は出口部２３ｄのいずれかが封止されている全ての貫通孔２３ｂの内面にまで接触させるか、或いは入り口側から浸漬させて単体２３を長さ方向で８〜９割程度第１液体に浸漬させ、出口２３ｄが封止された貫通孔２３ｂの内面に第１液体を接触させる。その後、その担体２３を第１液体から引き上げて脱液し、図３（ｂ）に示すように、その入口側及び出口側からそれぞれエアを吹き付けてそのエアを隔壁２３ａに通過させて余剰の第１液体を除去するとともに隔壁２３ａの通気性を確保する。その後、図３（ｃ）に示すように、担体２３を第２活性成分２６となる貴金属系ゼオライト、貴金属系アルミナ等を有機系成分とともにスラリー化した第２液体に出口側から浸漬する。即ち、単体２３を長さ方向で８〜９割程度第２液体に浸漬させ、出口２３ｄが封止された貫通孔２３ｂの内面に第２液体を接触させずに、入口２３ｃが封止された全ての貫通孔２３ｂの内面にのみその第２液体を接触させる。このとき入口側からエアを吸引して入口２３ｃが封止された貫通孔２３ｂの内面に第２液体を接触させるようにしてもよい。その後、その担体２３を再び引き上げて脱液し、乾燥焼成することにより第１及び第２活性成分２４、２６を担体２３にそれぞれ担持させる。この焼成により第２液体における有機系成分は燃焼して消失し、有機系成分が存在していた部分が空間となって隔壁２３ａの通気性は確保される。このようにして第１及び第２活性成分２４，２６が担体２３にそれぞれ担持された選択還元型触媒２２が作られる。

図１に戻って、この選択還元型触媒２２の排ガス上流側の排気管１６、即ち選択還元型触媒２２の入口には、液体噴射ノズル２９が選択還元型触媒２２に向けて設けられる。この液体噴射ノズル２９には液体供給管３１の一端が接続され、この液体供給管３１の他端は尿素系液体３２が貯留された液体タンク３３に接続される。また液体供給管３１には液体噴射ノズル２９への液体３２の供給量を調整する液体調整弁３４が設けられ、液体調整弁３４と液体タンク３３との間の液体供給管３１には液体タンク３３内の液体３２を液体噴射ノズル２９に供給可能なポンプ３６が設けられる。液体調整弁３４は第１〜第３ポート３４ａ〜３４ｃを有する三方弁であり、第１ポート３４ａはポンプ３６の吐出口に接続され、第２ポート３４ｂは液体噴射ノズル２９に接続され、更に第３ポート３４ｃは戻り管３７を介して液体タンク３３に接続される。そして、液体調整弁３４がオンすると第１及び第２ポート３４ａ，３４ｂが連通し、オフすると第１及び第３ポート３４ａ，３４ｃが連通するように構成される。

一方、排気管１６にはその排気管１６内の排ガス温度を検出する第１及び第２温度センサ４３ａ，４３ｂが設けられる。即ち、液体噴射ノズル２９及び選択還元型触媒２２間である選択還元型触媒２２の入口には、その入口における排気管１６内の排ガス温度を検出する第１温度センサ４３ａが設けられる。一方、選択還元型触媒２２の出口には、その出口における排気管１６内の排ガス温度を検出する第２温度センサ４３ｂが設けられる。これらの第１及び第２温度センサ４３ａ，４３ｂの検出出力はマイクロコンピュータからなるコントローラ４４の制御入力にそれぞれ接続される。その他コントローラ４４の制御入力には、エンジン１１の回転速度を検出する回転センサ４６と、エンジン１１の負荷を検出する負荷センサ４７などの各検出出力が接続される。上記負荷センサ４７はこの参考の形態では燃料噴射ポンプ（図示せず）のロードレバーの変位量を検出する。コントローラ４４の制御出力は液体調整弁３４及びポンプ３６にそれぞれ接続される。コントローラ４４はメモリ４４ａを備える。メモリ４４ａには、選択還元型触媒２２の入口及び出口の排ガス温度、エンジン回転、エンジン負荷等に応じた液体調整弁３４のオン又はオフ並びにオン時における開度、更にポンプ３６の作動の有無が予め記憶される。

また、選択還元型触媒２２より排ガス上流側の排気管１６には、酸化触媒５３が設けられる。この酸化触媒５３は、選択還元型触媒２２より上流側の排気管１６の直径を拡大した筒状のコンバータ５２に並べられて収容される。図示しないが、酸化触媒５３は、排ガスの流れる方向に格子状（ハニカム状）の通路が形成された図示しないモノリス担体（材質：コージェライト）を有し、このモノリス担体上に白金−ゼオライト触媒又は白金−アルミナ触媒がコーティングされる。このコーティングにより、酸化触媒５３に煤や炭化水素（ＨＣなど）の酸化力が付与される。
一方、図示しない燃料噴射装置は、軽油をシリンダ内にポスト噴射可能に構成される。従って、この燃料噴射装置では、軽油をシリンダ内にポスト噴射することにより、炭化水素を排ガス中に増加させてエンジン１１から排ガスとともに排気管１６に供給させるように構成される。そして、排ガス中に炭化水素が増加すると、その増加した炭化水素は酸化触媒５３において酸化反応して排ガス自体の温度を上昇可能に構成される。

このように構成されたエンジンの排ガスを浄化する装置の動作を説明する。
エンジン１１を始動すると、その排ガスは排気マニホルド１４から排気管１６に至り、その排気管１６を介して選択還元型触媒２２に至る。そして、排ガス中のＮＯｘはこの選択還元型触媒２２において浄化される。即ち、排ガスの温度が比較的高温であることを第１及び第２温度センサ４３ａ，４３ｂの検出出力から判断したコントローラ４４は液体調整弁３４をオンして液体調整弁３４における第１及び第２ポート３４ａ，３４ｂを連通させ、液体噴射ノズル２９から尿素系液体３２を噴射する。これは、排ガス中のＮＯｘを選択還元型触媒２２によって浄化するのに還元剤が必要だからであり、尿素系液体３２は予め所定の濃度に調整されたものが液体タンク３３に貯留される。コントローラ４４は回転センサ４６及び負荷センサ４７の各検出出力に基づいて求められるディーゼルエンジン１１の運転状態から排ガス中のＮＯｘ濃度を推定し、このＮＯｘを浄化するのに必要な還元剤としての尿素量を求める。そして、コントローラ４４は、求められた還元剤として必要な尿素量から具体的な尿素系液体３２の噴射量を決定し、液体調整弁３４をオンして噴射ノズル２９から最適な量の尿素系液体３２を噴射する。噴射された尿素系液体は、排ガスによって加熱されて加水分解しアンモニアを生じる。このアンモニアが選択還元型触媒２２に流入すると、担体２３に担持された第１活性成分２４において排ガス中のＮＯ、ＮＯ₂は還元されてＮ₂ やＨ₂Ｏに変化し、ＮＯｘが大気にそのまま排出される量を低減する。

一方、還元剤として機能することなく担体２３の隔壁２３ａを通過した余剰のアンモニア（ＮＨ₃）は、その隔壁２３ａを通過した後その貫通孔２３ｂの内面に担持された第２活性成分２６において酸化されてＮＯｘやＨ₂Ｏに変化し、アンモニアが大気にそのまま排出されることが防止される。そしてこの余剰のアンモニアを酸化する第２活性成分２６は担体２３に担持されるので、従来余剰のアンモニアを酸化させるために必要とされたアンモニア酸化触媒を不要にすることができる。この結果、アンモニア酸化触媒を選択還元型触媒とは別に排気通路に設けることを必要とする従来に比較して、設計の自由度は向上し、必要とする触媒の数が減少することからその取付け工数が従来に比較して増加することを回避することができる。

なお、本発明における選択還元型触媒２２では、担体２３における貫通孔２３ｂの相隣接する入口部２３ｃと出口部２３ｄを交互に封止しているので、その隔壁２３ａにパティキュレートが堆積することを回避する必要がある。特にアンモニアを還元剤として用いるので、排ガスの温度が比較的低温である場合には、アンモニアがＮＯｘと反応して生成される硝酸アンモニウム等が固形物となって担体２３の隔壁２３ａに堆積することが考えられる。選択還元型触媒２２に粒子状固形物である硝酸アンモニウムが過度に堆積すると、その触媒２２の隔壁２３ａにおける細孔を詰まらせたり、その隔壁２３ａの表面を覆ってしまうことにより、ＮＯｘ浄化反応を阻害するおそれがある。

これを回避するためには選択還元型触媒２２を再生させる必要があり、その選択還元型触媒２２の再生は、図示しない燃料噴射装置により燃料である軽油をシリンダ内にポスト噴射させることにより行われる。このポスト噴射により、炭化水素を排ガス中に増加させてエンジン１１から排ガスとともに排気管１６に供給させると、排ガス中に炭化水素が増加し、その増加した炭化水素は酸化触媒５３において酸化反応して排ガス自体の温度を上昇させる。温度が上昇した排ガスはその下流側に設けられた選択還元型触媒２２に達する。選択還元型触媒２２に堆積した硝酸アンモニウムは２１０℃以上で燃焼するので、温度が上昇した排ガスの熱により選択還元型触媒２２に堆積した粒子状固形物である硝酸アンモニウムは燃焼して分解し、これにより選択還元型触媒２２を再生することができる。

＜本発明の実施の形態＞
図４の本発明の実施の形態を示す。図面中上述した参考の形態と同一符号は同一部品を示し、繰り返しての説明を省略する。
図４に示すように、この実施の形態では、選択還元型触媒２２より排ガス上流側の排気管１６に、多孔質セラミックから成るディーゼルパティキュレートフィルタ５１が設けられ、このフィルタ５１の上流側に酸化触媒５３が設けられる。このディーゼルパティキュレートフィルタ５１及び酸化触媒５３は、選択還元型触媒２２より上流側の排気管１６の直径を拡大した筒状のコンバータ５２に並べられて収容される。図示しないが、パティキュレートフィルタ５１は、上流側に栓が施された第１通路と下流側に栓が施された第２通路とが交互に配置されたハニカム状をなし、排ガスは第２通路から多孔質セラミックの流路壁面を通過して第１通路に流入して下流側に流れるように構成される。そして、排ガス中のパティキュレートは多孔質セラミックによって捕集され、パティキュレートの大気への放出を防止するように構成される。一方、酸化触媒５３は、上述した参考の形態と同一部品であるので繰り返しての説明を省略する。

そして、このディーゼルパティキュレートフィルタ５１の温度を所定値に上昇可能に構成されたフィルタ温度上昇手段が設けられる。この実施の形態におけるフィルタ温度上昇手段は、前述した酸化触媒５３と図示しない燃料噴射装置からなる。即ち、燃料噴射装置により軽油をシリンダ内にポスト噴射することにより、炭化水素を排ガス中に増加させてエンジン１１から排ガスとともに排気管１６に供給させる。排ガス中に炭化水素が増加すると、その増加した炭化水素は酸化触媒５３において酸化反応して排ガス自体の温度が上昇し、その下流側に存在するディーゼルパティキュレートフィルタ５１の温度を所定値に上昇させる。

このように構成されたエンジンの排ガスを浄化する装置の動作を説明する。
エンジン１１を始動すると、その排ガスは排気マニホルド１４から排気管１６に至り、その排気管１６を介してディーゼルパティキュレートフィルタ５１に至る。ディーゼルエンジン１１の排ガス中におけるパティキュレートはこのディーゼルパティキュレートフィルタ５１により捕集される。そして、パティキュレートが捕集されてそれが除去された排ガスはそのパティキュレートフィルタ５１を通過し、その下流側に存在する選択還元型触媒２２に至る。そして、排ガス中のＮＯｘはこの選択還元型触媒２２において浄化される。

即ち、排ガスの温度が比較的高温であることを第１及び第２温度センサ４３ａ，４３ｂの検出出力から判断したコントローラ４４は液体調整弁３４をオンして液体調整弁３４における第１及び第２ポート３４ａ，３４ｂを連通させ、液体噴射ノズル２９から尿素系液体３２を噴射する。これは、排ガス中のＮＯｘを選択還元型触媒２２によって浄化するのに還元剤が必要だからであり、尿素系液体３２は予め所定の濃度に調整されたものが液体タンク３３に貯留される。コントローラ４４は回転センサ４６及び負荷センサ４７の各検出出力に基づいて求められるディーゼルエンジン１１の運転状態から排ガス中のＮＯｘ濃度を推定し、このＮＯｘを浄化するのに必要な還元剤としての尿素量を求める。そして、コントローラ４４は、求められた還元剤として必要な尿素量から具体的な尿素系液体３２の噴射量を決定し、液体調整弁３４をオンして噴射ノズル２９から最適な量の尿素系液体３２を噴射する。噴射された尿素系液体は、排ガスによって加熱されて加水分解しアンモニアを生じる。このアンモニアが選択還元型触媒２２に流入すると、担体２３に担持された第１活性成分２４において排ガス中のＮＯ、ＮＯ₂は還元されてＮ₂ やＨ₂Ｏに変化し、ＮＯｘが大気にそのまま排出される量を低減する。

なお、本発明における選択還元型触媒２２では、担体２３における貫通孔２３ｂの相隣接する入口部２３ｃと出口部２３ｄを交互に封止しているので、その隔壁２３ａにパティキュレートが堆積することを回避する必要がある。特にアンモニアを還元剤として用いるので、排ガスの温度が比較的低温である場合には、アンモニアがＮＯｘと反応して生成される硝酸アンモニウム等が固形物となって担体２３の隔壁２３ａに堆積することが考えられる。選択還元型触媒２２に粒子状固形物である硝酸アンモニウムが過度に堆積すると、その触媒２２の隔壁２３ａにおける細孔を詰まらせたり、その隔壁２３ａの表面を覆ってしまうことにより、ＮＯｘ浄化反応を阻害するおそれがある。これを回避するために、選択還元型触媒２２の上流側にディーゼルパティキュレートフィルタ５１を設けているけれども、このディーゼルパティキュレートフィルタ５１にあっても、このディーゼルパティキュレートフィルタ５１に捕集されたパティキュレートの量が増大すると、パティキュレートフィルタ５１を通る排気の流路抵抗が増大する。このため、選択還元型触媒２２や、その上流側に設けられたディーゼルパティキュレートフィルタ５１は定期的に再生させる必要がある。この再生方法を以下に説明する。

選択還元型触媒２２の再生はパティキュレートフィルタ５１の再生とともに行われる。そして、パティキュレートフィルタ５１の再生は、フィルタ温度上昇手段である図示しない燃料噴射装置により燃料である軽油をシリンダ内にポスト噴射させることにより行われる。このポスト噴射により、炭化水素を排ガス中に増加させてエンジン１１から排ガスとともに排気管１６に供給させる。排ガス中に炭化水素が増加すると、その増加した炭化水素は酸化触媒５３において酸化反応して排ガス自体の温度が上昇し、その下流側に存在するディーゼルパティキュレートフィルタ５１の温度を上昇させる。パティキュレートフィルタ５１の温度が上昇してパティキュレートが燃焼可能な温度、例えば６００℃を越えると、パティキュレートフィルタ５１に捕集されたパティキュレートはその熱により燃焼し、これによりパティキュレートフィルタ５１は再生する。

なお、上述した参考の形態及び実施の形態では、エンジンとしてターボ過給機付ディーゼルエンジンを挙げたが、自然吸気型ディーゼルエンジンに本発明の排ガスを浄化する装置を用いてもよい。
また、上述した参考の形態及び実施の形態では、フィルタ温度上昇手段としてポスト噴射可能な燃料噴射装置を用いて説明したが、フィルタ温度上昇手段は、排ガスの温度を上昇させる等してフィルタの温度を上昇させることができるものであれば、例えば、ＥＧＲ制御弁、吸気スロットル弁又は排気ブレーキ弁を閉じる、ＶＧ（Variable Geometry）ターボのズルベーン開度を大きくする等してエンジン負荷を大きくしたりしても良く、フィルタの直前に炭化水素を直接そのフィルタに向かって噴射可能なノズルを設けても良い。

なお、上述した実施の形態では、エンジンとしてターボ過給機付ディーゼルエンジンを挙げたが、自然吸気型ディーゼルエンジンに本発明の排ガスを浄化する装置を用いてもよい。
また、上述した実施の形態では、フィルタ温度上昇手段としてポスト噴射可能な燃料噴射装置を用いて説明したが、フィルタ温度上昇手段は、排ガスの温度を上昇させる等してフィルタの温度を上昇させることができるものであれば、例えば、ＥＧＲ制御弁、吸気スロットル弁又は排気ブレーキ弁を閉じる、ＶＧ（Variable Geometry）ターボのズルベーン開度を大きくする等してエンジン負荷を大きくしたりしても良く、フィルタの直前に炭化水素を直接そのフィルタに向かって噴射可能なノズルを設けても良い。

参考の形態の排ガス浄化装置の構成を示す構成図である。その選択還元型触媒の拡大断面図である。その選択還元型触媒の製造手順を示す図である。本発明の実施形態の排ガス浄化装置の構成を示す構成図である。

符号の説明

１１ディーゼルエンジン
１６排気管
２２選択還元型触媒
２３担体
２３ａ隔壁
２３ｂ貫通孔
２３ｃ入口部
２３ｄ出口部
２４第１活性成分
２６第２活性成分
２９液体噴射ノズル
３２尿素系液体
５１ディーゼルパティキュレートフィルタ
５３酸化触媒

Claims

ディーゼルエンジン(11)の排気管(16)に設けられた選択還元型触媒(22)と、
前記選択還元型触媒(22)より排ガス上流側の前記排気管(16)に設けられ前記選択還元型触媒(22)に向けて尿素系液体(32)を噴射可能な液体噴射ノズル(29)と、
前記選択還元型触媒(22)より排ガス上流側の前記排気管(16)に設けられた酸化触媒(53)と、
記選択還元型触媒(22)より排ガス上流側であって前記酸化触媒(53)より排ガス下流側の前記排気管(16)に設けられたディーゼルパティキュレートフィルタ(51)と、
前記ディーゼルパティキュレートフィルタ(51)の温度を所定値以上に上昇可能に構成されたフィルタ温度上昇手段と
を備えたエンジンの排ガス浄化装置であって、
前記選択還元型触媒(22)が、
多孔質の隔壁(23a)で仕切られた貫通孔(23b)が互いに平行に複数形成された担体(23)と、前記隔壁(23a)に担持され前記エンジン(11)の排ガス中の窒素酸化物をアンモニアと反応させて分解するような触媒作用を有する第１活性成分(24)とを備え、
前記隔壁(23a)で仕切られた複数の前記貫通孔(23b)の相隣接する入口部(23c)と出口部(23d)が交互に封止され、
前記第１活性成分(24)が担持された前記隔壁(23a)が通気性を有し一の貫通孔(23b)の入口部(23c)から流入した前記排ガスが前記隔壁(23a)を通過して前記一の貫通孔(23b)に隣接する他の貫通孔(23b)の出口部(23d)から排出されるように構成され、
前記隔壁(23a)を通過したアンモニアを酸化するような触媒作用を有する第２活性成分(26)が前記他の貫通孔(23b)の内面に担持され、
排ガス温度が低いとき、前記アンモニアが前記排ガス中のＮＯｘと反応して生成される硝酸アンモニウムが粒子状固形物となって前記選択還元型触媒(22)に堆積し、
前記フィルタ温度上昇手段により排ガス中に増加した炭化水素が前記酸化触媒(53)で酸化反応して、前記排ガスの温度及び前記フィルタ(51)の温度が上昇することにより、前記選択還元型触媒(22)に堆積した粒子状固形物である硝酸アンモニウムを２１０℃以上で燃焼して分解し、その一方、前記フィルタ(51)に堆積したパティキュレートを６００℃を越える温度で燃焼するように構成された
ことを特徴とする排ガス浄化装置。