(57)【要約】【課題】選択還元型触媒におけるコート材の剥離を抑制する。【解決手段】本発明の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に配置された選択還元型触媒と還元剤添加弁とを備える。選択還元型触媒は、排気中の窒素酸化物を還元する。還元剤添加弁は、選択還元型触媒に還元剤を供給するための添加弁である。選択還元型触媒内の排気が通過する通路は、基材によって構成されている。基材の表面には、触媒コートが形成されたコート部と、触媒コートが形成されていない未コート部と、が含まれる。ここで、未コート部は、還元剤添加弁から供給される還元剤が液状で到達する範囲を含む位置に形成されている。一方、コート部は、還元剤が液状で到達する範囲の外の位置であって、かつ、未コート部に対し、還元剤添加弁とは反対側の位置に形成されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気通路に配置され、排気中の窒素酸化物を還元する選択還元型触媒と、
前記選択還元型触媒に還元剤を供給するための還元剤添加弁と、
を備え、
前記選択還元型触媒内の排気が通過する通路を構成する基材の表面は、
触媒コートが形成されたコート部と、触媒コートが形成されていない未コート部と、を含み、
前記未コート部は、前記還元剤添加弁から供給される還元剤が液状で到達する範囲を含む位置に形成され、
前記コート部は、前記範囲外の位置であって、かつ、前記未コート部に対し、前記還元剤添加弁とは反対側の位置に形成されている、
ことを特徴とする排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は還元剤供給装置から供給される還元剤により排気中の窒素酸化物を還元する選択還元型触媒を有する排気浄化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
選択還元型触媒と、選択還元型触媒に還元剤を添加する添加弁とを備える排気浄化装置が知られている。この排気浄化装置において、選択還元型触媒は、添加弁から添加された還元剤を吸着し、吸着した還元剤により排気中の窒素酸化物（以下「ＮＯｘ」とも記載する）を還元浄化する。
【０００３】
選択還元型触媒のガス通路は、一般に、ガス通路を構成する基材に、ＮＯｘ吸着触媒又はＮＯｘ吸着還元型触媒等を含むコート材がコートされて形成されている。例えば、特許文献１には、基材である触媒担体に、ＮＯｘ吸着触媒層とＳＣＲ触媒層とがコートされた選択還元型触媒を有する排気浄化装置が記載されている。特許文献１の選択還元型触媒において、各触媒層のコート量は、上流側から下流側に向けて、ＳＣＲ触媒層は多くなり、逆に、ＮＯｘ吸着触媒層は少なくなっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−１５２６６１号公報
【特許文献２】特許第５８８８３１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
選択還元型触媒への還元剤の供給の際、還元剤が、蒸発する前の液滴の状態で、コート材に接触する場合がある。この場合、還元剤のせん断力によりコート材が基材から剥離する虞がある。また、コート材に液状の還元剤が付着すると、コート材に含まれる水溶性のバインダが溶けることで、コート材の基材への接着力が低下し、コート材は更に剥離しやすくなる。コート材の剥離は排気浄化装置の浄化性能を低下させると共に、剥離したコート材中の金属製酸化物が排気と共に下流側へ排出する虞があるため、好ましいものではない。
【０００６】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、選択還元型触媒におけるコート材の剥離を抑制する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の１つの観点において、排気浄化装置が提供される。その排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に配置された選択還元型触媒と還元剤添加弁とを備える。選択還元型触媒は、排気中の窒素酸化物を還元する。還元剤添加弁は、選択還元型触媒に還元剤を供給するための添加弁である。
【０００８】
選択還元型触媒内の排気が通過する通路は、基材によって構成されている。基材の表面には、触媒コートが形成されたコート部と、触媒コートが形成されていない未コート部と、が含まれる。ここで、未コート部は、還元剤添加弁から供給される還元剤が液状で到達する範囲を含む位置に形成されている。一方、コート部は、還元剤が液状で到達する範囲の外の位置であって、かつ、未コート部に対し、還元剤添加弁とは反対側の位置に形成されている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の排気浄化装置によれば、選択還元型触媒内の液状の還元剤が届く範囲は、基材に触媒コートによるコートがなされていない。これにより液状の還元剤が直撃することによる触媒コートの剥離を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態のシステムの全体構成を模式的に示す図である。
【図２】本発明の実施の形態のＳＣＲ触媒の構成を模式的に示す図である。
【図３】本発明の実施の形態のＳＣＲ触媒の、図２におけるＡ−Ａ断面の一部を拡大して表した図である。
【図４】本発明の実施の形態のＳＣＲ触媒の、図２におけるＢ−Ｂ断面の一部を拡大して表した図である。
【図５】本発明の実施の形態における尿素添加弁から添加された尿素水の蒸発割合の時間変化の一例を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態における尿素噴射弁から添加された尿素水の液滴到達距離の時間変化の一例を示す図である。
【図７】ＳＣＲ触媒の端面からの距離と尿素水の蒸発割合との具体的な関係の一例を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態の尿素ＳＣＲシステムにおいて、尿素添加弁からの尿素水の噴射状態を説明する図である。
【図９】本発明の実施の形態の尿素ＳＣＲシステムにおいて、尿素添加弁から尿素水が噴射された場合のＳＣＲ触媒の表面の状態を説明するための図である。
【図１０】従来の尿素ＳＣＲシステムにおいて、尿素添加弁から尿素水が噴射された場合のＳＣＲ触媒の表面の状態を説明するための図である。
【図１１】本発明の実施の形態のシステムの他の構成例を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。
【００１２】
図１は、本発明の実施の形態１のシステムの全体構成を模式的に示す図である。図１に示されるように、本実施の形態のシステムは、エンジン２を有している。エンジン２の気筒の数及びその配列に限定はない。エンジン２は、インジェクタを備えインジェクタから噴射された燃料を気筒内で自己着火させるディーゼルエンジンである。
【００１３】
エンジン２の排気通路４には、ＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst）６及びＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）８が、排気の上流側から順に、隣接して配置されている。ＤＯＣ６には、排気中の未燃焼ガスであるＨＣ等を酸化処理する酸化触媒が担持されている。ＤＰＦ８は、排気中の煤等のＰＭ（微粒子成分）を捕集する部材であって、例えば多孔質セラミックで構成されている。
【００１４】
排気通路４のＤＰＦ８より下流には、選択還元型触媒であるＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）触媒を有する尿素ＳＣＲシステムが設置されている。尿素ＳＣＲシステムは、ＳＣＲ触媒１０と、ＳＣＲ触媒１０に還元剤を供給する還元剤供給装置２０とを含む。
【００１５】
還元剤供給装置２０は尿素添加弁２２を有する。ＤＰＦ８の下流側、かつ、ＳＣＲ触媒１０の上流側の排気通路４は、排気の流れが略９０度変化する曲部４ａを有しており、尿素添加弁２２は、先端が排気通路４に挿入された状態で、曲部４ａに設置されている。尿素添加弁２２は、供給配管２４を介して尿素水が貯留される還元剤タンク２６に接続されている。供給配管２４には、圧送ポンプ２８が設置されている。尿素添加弁２２及び圧送ポンプ２８は、制御装置であるＥＣＵ３０に電気的に接続されている。
【００１６】
尿素添加弁２２は、排気通路４の尿素添加弁２２より下流側、即ち、ＳＣＲ触媒１０側に向けて尿素水を噴射する。尿素添加弁２２からの尿素水添加は、ＥＣＵ３０によって制御される。尿素水は、アンモニア前駆体であり、尿素水が排気熱により加水分解されることにより、還元剤であるアンモニア（以下「ＮＨ３」とも記載する）が生成される。
【００１７】
ＳＣＲ触媒１０は、ＮＨ３を吸着し、吸着したＮＨ３と排気中の窒素酸化物（以下「ＮＯｘ」とも記載する）とに、例えば、下記の数１、数２、又は、数３式に示す還元反応を起こさせることにより、排気を還元浄化する。
【数１】
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【数２】
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【数３】
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【００１８】
図２は、ＳＣＲ触媒１０を拡大して表した図である。図２に示されるように、本実施の形態のＳＣＲ触媒１０は、上流部１１と下流部１２に分けられる。図３は、図２におけるＡ−Ａ断面の一部を拡大して表している。図４は図２におけるＢ−Ｂ断面の一部を拡大して表している。つまり、図３は、上流部１１の断面の一部、図４は下流部の断面の一部を、それぞれ表している。
【００１９】
図３及び図４に示されるように、ＳＣＲ触媒１０は、複数のセル１３が格子状又はハニカム形状に配列される形で形成されたモノリス基材（以下、単に「基材」とする）１４を有している。図４に示されるように、下流部１２のセル１３は、基材１４の表面にコート材１５が接着されて構成されているが、図３に示されるように、上流部１１のセル１３の基材１４の表面はコートされていない。
【００２０】
基材１４は、例えば、コージェライト、ＳｉＣ等のセラミック及びメタルのうちいずれか１以上の材料からなる。コート材１５は、ゼオライト等の多孔質体と、その多孔質体の表面に接着された触媒成分と、バインダと、からなる。触媒成分は、ＮＨ３とＮＯｘとの還元反応を促進させる触媒であり、例えば、銅、鉄、バナジウム、モリブデン、タングステン等の金属酸化物からなる。バインダは、触媒成分を多孔質体に接着したり、多孔質体を基材１４に接着したりするためのものである。なお、ＳＲＣ触媒１０は、フィルタとしての機能を有するものであってもよい。
【００２１】
図５は、尿素添加弁２２から噴射された尿素水の蒸発割合の時間変化の一例を示す図であり、図６は、尿素添加弁２２から噴射された尿素水の液滴が到達する液滴到達距離の時間変化の一例を示す図である。図５に示されるように、尿素水の蒸発割合は時間経過に伴い高くなり、やがて蒸発割合は１となり蒸発が完了する。図５に示される例では、蒸発は時間ｔｈにおいて完了する。
【００２２】
図６に示される例では、蒸発が完了する時間ｔｈまでに、尿素水の液滴は、Ｌｔｈにまで到達する。ここで液滴到達距離Ｌｔｈは、尿素添加弁２２からの距離である。尿素添加弁２２からＳＣＲ触媒１０の先端面までの距離をＬ０とすると、ＳＣＲ触媒１０における液滴到達距離は、Ｌｈとなる。
【００２３】
具体的な蒸発割合については、例えば、単位時間当たりの液滴粒径Ｄから、以下の数４式及び数５式を用いて、蒸発量を計算することで求めることができる。
【数４】
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【数５】
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上記の数４及び数５式において、ｍは尿素質量、ｔは時間、ｋは熱伝導率、Ｃｐは比熱、Ｈは蒸発線熱、Ｔｇは周囲のガス温度、Ｔｄは液滴温度、Ｒｅはレイノルズ数、Ｄ０は初期液滴径であり、Ｋｂは蒸発速度定数である。
【００２４】
同様に、具体的なＳＣＲ触媒１０内における液滴到達距離Ｌｈは、例えば、以下の数６式〜数８式により求めることができる。数６式乃至数８式において、Ｌｔｈは尿素添加弁２２からの液滴到達距離、Ｌ０は尿素添加弁の先端からＳＣＲ触媒１０の尿素添加弁２２側の端面までの距離、ρｆは液体密度、ρａは雰囲気密度、ｄｎは尿素添加弁の噴孔径、ｗ０は噴霧初速、θは噴霧角、Ｐｒは噴射圧、Ｐａは雰囲気圧である。
【数６】
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【数７】
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【数８】
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【００２５】
本実施の形態では、上記の数６式〜数８式を用いて求められた液滴到達距離Ｌｈ内の全範囲が、ＳＣＲ触媒１０の上流部１１に含まれるように、上流部１１と下流部１２との境界が設定されている。即ち、上流部１１のガス流通方向の長さＬｆは、少なくとも液滴到達距離Ｌｈより大きくなるように設定されている。これにより下流部１２は、少なくとも液滴到達距離Ｌｈの位置よりも下流側に位置するようになる。
【００２６】
図７は、上記式に従って求められたＳＣＲ触媒の端面からの距離と蒸発割合との具体的な関係の一例を示す図である。図７の例では、ＳＣＲ触媒１０の全長は１００ｍｍであり、蒸発割合が１、即ち蒸発が完了する液滴到達距離Ｌｈは、約２５ｍｍ付近である。従って、この例では、例えば、上流部１１の長さＬｆは、触媒全長Ｌｂ（＝１００ｍｍ）の枠１/４の長さに設定される。
【００２７】
図８は、尿素添加弁からの尿素水の噴射状態を説明する図である。また、図９及び図１０は、尿素水が添加された場合のＳＣＲ触媒の表面の状態を説明する図であり、図９は、ＳＣＲ触媒１０の表面の状態、図１０は、比較例として従来のＳＣＲ触媒の表面の状態を表す図である。
【００２８】
本実施の形態のように、尿素添加弁２２とＳＣＲ触媒１０との間に、衝突板やミキサーが配置されておらず、また、尿素添加弁２２とＳＣＲ触媒１０との距離が短い構成の場合、尿素添加弁２２から噴射された尿素水は、蒸発せずにＳＣＲ触媒１０の端面及び端面に近い上流部に直撃しやすい。
【００２９】
しかしながら、本実施の形態では、ＳＣＲ触媒１０の尿素添加弁２２の噴射孔に近い側の端面から長さＬｆの部分は、コート材１５が塗布されていない未コート部（即ち、上流部１１）である。そして、この長さＬｆは、ＳＣＲ触媒１０内の液滴到達距離Ｌｈより長い距離に設定されている。従って、図９に示されるように、液滴は、コート材１５が塗布されたコート部（即ち、下流部１２）に到達する手前で完全に蒸発し、コート材１５への液滴の直撃が避けられている。
【００３０】
一方、従来のようにＳＣＲ触媒の基材全面にコート材１５が塗布されている構成の場合、図１０に示されるように、コート材１５に尿素水の液滴が直撃する。このため、直撃のせん断力により、コート材１５が剥離する場合がある。また、ＳＣＲ触媒の表面で、尿素水が液状のまま滞留すると、コート材１５に含まれるバインダが尿素水に溶けて、コート材の密着力が低下する。コート材１５の密着力が低下した状態で更に、尿素水が直撃すれば、コート材１５の剥離はより発生しやすい。
【００３１】
以上説明したように、本実施の形態によれば、ＳＣＲ触媒１０の上流部１１を、コート材１５を塗布しない未コート部とすることで、コート材１５の剥離や溶解を抑制することができる。その結果、ＳＣＲ触媒１０の浄化性能を一定レベルに維持することができ、下流側へのコート材１５の流出も抑制することができる。
【００３２】
なお、以上の実施の形態では、ＳＣＲ触媒１０の上流側に尿素添加弁２２が設置される場合について説明した。しかし、尿素添加弁２２はＳＣＲ触媒１０の下流側に設置されるものであってもよい。図１１は、尿素添加弁２２がＳＣＲ触媒１０の下流側に設置されたシステムの構成を示す模式図である。
【００３３】
この構成例では、排気通路４は、ＳＣＲ触媒１０より排気の流れの下流側に、排気の流れが略９０度変化する曲部４ｂを有している。尿素添加弁２２は、この曲部４ｂに、先端の噴射孔が挿入された状態で配置されている。つまり、尿素水は、排気の流れの下流側から上流側にあるＳＣＲ触媒１０に向けて噴射される。
【００３４】
この構成では、ＳＣＲ触媒１０の上流部１６のセル１３は、基材１４にコート材１５を接着させた構成とし、下流部１７のセル１３は、基材１４のみの構成とする。ここで、下流部１７のガス流通方向の長さ（Ｌｂ−Ｌｆ）は、上述した尿素添加弁２２が上流側に設置されている場合の上流部１１の長さＬｆと同様に決定する。つまり、尿素添加弁２２からＳＣＲ触媒１０の下流側の端面までの距離をＬ０として、ＳＣＲ触媒１０内の下流側の端面を基準とする液滴到達距離Ｌｈを算出し、液滴到達距離Ｌｈよりも、下流部１７の長さ（Ｌｂ−Ｌｆ）が長くなるように、下流部の距離を設定する。これにより、上流側に尿素添加弁２２が設置されている場合と同様に、コート材の剥離を回避することができる。
【００３５】
なお、以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、この実施の形態において説明する構造等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。
【符号の説明】
【００３６】
２  エンジン
４  排気通路
４ａ、４ｂ  曲部
６  ＤＯＣ
８  ＤＰＦ
１０  触媒
１１  上流部
１２  下流部
１３  セル
１４  基材
１５  コート材
１６  上流部
１７  下流部
２０  還元剤供給装置
２２  尿素添加弁
２４  供給配管
２６  還元剤タンク
２８  圧送ポンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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