(57)【要約】【課題】ＮＯｘ浄化効率を向上させる。【解決手段】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ＮＯｘ還元触媒コンバータ１８の担体１８Ａに、その排気流入側の所定長部分にアンモニア吸着材Ａをコーティングする一方、その排気流出側の残りの部分にＮＯｘ還元触媒Ｂをコーティングする。また、このような構成に代えて、ＮＯｘ還元触媒コンバータ１８の担体１８Ａの表面に、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、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るアンモニアを利用してＮＯｘを還元浄化する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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又は請求項２に記載の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【特許文献１】特開２０００−２７６２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
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。
【０００４】
そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、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。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
このため、第１の本発明では、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、その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、その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、第２の本発明では、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。
【発明の効果】
【０００６】
第１の本発明によれば、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。
【０００７】
また、第２の本発明によれば、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、第１の本発明と同様に、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。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
図１は、本発明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、これ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。
【０００９】
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を介して、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。
【００１０】
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「還元剤添加ＥＣＵ」という）２８により電子制御される。また、還元剤添加ＥＣＵ２８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、還元剤添加ＥＣＵ２８は、その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、そ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。
【００１１】
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、そ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。
【００１２】
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（Ａ）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。
【００１３】
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。
【００１４】
エンジン１０が定常運転を行っているときには、図２（Ｂ）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。
【００１５】
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３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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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３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４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。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の適用対象である排気浄化装置の概要構成図
【図２】ＮＯｘ還元触媒コンバータの担体の第１実施形態を示し、（Ａ）はアンモニア吸着材及びＮＯｘ還元触媒のコーティング方法の説明図、（Ｂ）はその作用及び効果の説明図
【図３】ＮＯｘ還元触媒コンバータの担体の第２実施形態の説明図
【図４】ＮＯｘ浄化効率が向上したことを示す実験データの説明図
【符号の説明】
【００２０】
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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