(57)【要約】【課題】排気ガスの浄化効率を低下させずに小型化した排気ガス浄化装置を提供する【解決手段】ディーゼルエンジン１から排出された排気ガスが流通する排気管２に、酸化触媒装置３と、ウォールフロー型の基材１１にＳＣＲ触媒が担持されたＤＰＦ４と、ウォールフロー型の基材１２にアンモニアスリップ触媒が担持されたアンモニアスリップ触媒装置５とが設けられている。酸化触媒装置３とＤＰＦ４との間には、尿素水を噴射する尿素水噴射弁７が設けられており、尿素水噴射弁７は、配管８を介して、尿素水を貯留する尿素水タンク９に連通している。配管８には、尿素水タンク９内の尿素水を尿素水噴射弁７に供給するための尿素水添加システム１０が設けられている。基材１２の気孔率及び平均細孔径は、基材１１の気孔率及び平均細孔径以上である。【選択図】図１
2014062501.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関から排出された排気ガスが流通する排気管に設けられたウォールフロー型の基材からなるＤＰＦと、
前記排気管において前記ＤＰＦの下流側に設けられたウォールフロー型の基材からなるアンモニアスリップ触媒装置と
を備え、
前記ＤＰＦの基材には、アンモニアを還元剤としてＮＯｘを還元するＳＣＲ触媒が担持され、前記アンモニアスリップ触媒装置の基材には、前記ＤＰＦをスリップしたアンモニアを酸化するアンモニアスリップ触媒が担持され、前記アンモニアスリップ触媒装置の基材の気孔率は前記ＤＰＦの基材の気孔率以上であり、前記アンモニアスリップ触媒装置の基材の平均細孔径は前記ＤＰＦの基材の平均細孔径以上である排気ガス浄化装置。
【請求項２】
前記アンモニアスリップ触媒装置の基材にも前記ＳＣＲ触媒が担持されている、請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項３】
前記ＳＣＲ触媒は、前記アンモニアスリップ触媒装置の基材の内部に担持され、前記アンモニアスリップ触媒は、前記アンモニアスリップ触媒装置の基材の前記内燃機関とは反対側の面に担持されている、請求項２に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項４】
前記ＳＣＲ触媒及び前記アンモニアスリップ触媒は、前記アンモニアスリップ触媒装置の基材の内部に担持され、前記アンモニアスリップ触媒は少なくとも部分的に前記ＳＣＲ触媒によって覆われている、請求項２に記載の排気ガス浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、排気ガス浄化装置に係り、特に、アンモニアを還元剤として用いて窒素酸化物（ＮＯｘ）を選択的に還元する排気ガス浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンの排気ガスに含まれるＮＯｘを低減するために、尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）システムが開発されている。尿素ＳＣＲシステムの基本構成は、一酸化窒素（ＮＯ）や一酸化炭素（ＣＯ）並びに炭化水素（ＨＣ）を酸化する酸化触媒装置と、酸化触媒装置の下流側に設けられ、排気ガス中のパティキュレートマター（ＰＭ）を捕捉するディーデルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）と、尿素水から生成したアンモニアとＮＯｘとの化学反応により、ＮＯｘを窒素及び水に還元するＳＣＲ触媒装置と、ＳＣＲ触媒装置に尿素水を添加するための尿素添加システムと、ＳＣＲ触媒装置の下流側に設けられ、ＳＣＲ触媒装置における化学反応で消費されずに残ったアンモニアを酸化するためのアンモニアスリップ触媒装置とから構成される。
【０００３】
このような従来の尿素ＳＣＲシステムは、酸化触媒装置と、ＤＰＦと、ＳＣＲ触媒装置と、アンモニアスリップ触媒装置との４つを排気管に配列して構成されているので、システム全体が大きくなってしまう。システム全体を小さくするために、ウォールフロー型の基材からなるＤＰＦにＳＣＲ触媒を担持し、このＤＰＦの下流にアンモニアスリップ触媒装置を設けたものが特許文献１に記載されている。ウォールフロー型の基材は、排気ガス流路の入口と出口とが交互に目封じされた構造になっており、出口側が目封じされた流路内に流入した排気ガスは、基材の壁内を通過して、入口側が目封じされた流路から基材の外側に流出するため、ストレートフロー型の基材に比較して圧力損失が大きい。そこで、尿素ＳＣＲシステムの圧力損失をできるだけ小さくするために、アンモニアスリップ触媒装置にはストレートフロー型の基材を用いるのが普通である。また、ウォールフロー型のＤＰＦにＳＣＲ触媒及びアンモニアスリップ触媒を担持したものが特許文献２に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−５２６１９号公報
【特許文献２】特開２０１０−１９２２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の尿素ＳＣＲシステムでは通常、アンモニアスリップ触媒装置にストレートフロー型の基材が用いられ、ウォールフロー型の基材に比べると、圧力損失は小さいもののアンモニアスリップ触媒装置による酸化効率は低くなるので、酸化効率を高めるためにはアンモニアスリップ触媒装置自体を大きくしなければならない。そうすると、ＤＰＦとＳＣＲ触媒装置とを一体にすることでの小型化はされているものの、アンモニアスリップ触媒装置を含めた尿素ＳＣＲシステム全体としては依然として小型化は不完全であると言える。
【０００６】
特許文献２に記載の尿素ＳＣＲシステムでは、ＤＰＦとＳＣＲ触媒装置とアンモニアスリップ触媒装置とが一体化されているので、小型化が実現されていると言える。しかしながら、ＤＰＦにＳＣＲ触媒だけでなくアンモニアスリップ触媒を担持すると、排気ガス温度が高い場合（４３０℃付近）では、アンモニアスリップ触媒により、還元剤であるアンモニアが酸化されてしまい、排気ガスの浄化効率が著しく低下する現象が起きてしまうといった問題点があった。
【０００７】
この発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、排気ガスの浄化効率を低下させずに小型化した排気ガス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】
【０００８】
この発明に係る排気ガス浄化装置は、内燃機関から排出された排気ガスが流通する排気管に設けられたウォールフロー型の基材からなるＤＰＦと、排気管においてＤＰＦの下流側に設けられたウォールフロー型の基材からなるアンモニアスリップ触媒装置とを備え、ＤＰＦの基材には、アンモニアを還元剤としてＮＯｘを還元するＳＣＲ触媒が担持され、アンモニアスリップ触媒装置の基材には、ＤＰＦをスリップしたアンモニアを酸化するアンモニアスリップ触媒が担持され、アンモニアスリップ触媒装置の基材の気孔率はＤＰＦの基材の気孔率以上であり、アンモニアスリップ触媒装置の基材の平均細孔径はＤＰＦの基材の平均細孔径以上である。アンモニアスリップ触媒装置にウォールフロー型の基材を用いても尿素ＳＣＲシステムによる圧力損失の上昇が抑制される。
アンモニアスリップ触媒装置の基材にもＳＣＲ触媒が担持されていてもよい。アンモニアスリップ触媒装置においてもＮＯｘの浄化が可能となる。
ＳＣＲ触媒は、アンモニアスリップ触媒装置の基材の内部に担持され、アンモニアスリップ触媒は、アンモニアスリップ触媒装置の基材の排気ガス流出側の面に担持されていてもよい。また、ＳＣＲ触媒及びアンモニアスリップ触媒は、アンモニアスリップ触媒装置の基材の内部に担持され、アンモニアスリップ触媒は少なくとも部分的にＳＣＲ触媒によって覆われていてもよい。いずれの場合も、アンモニアは、アンモニアスリップ触媒の還元剤として機能した後、還元剤として使用されなかったアンモニアがアンモニアスリップ触媒で酸化されるので、アンモニアスリップ触媒装置におけるＮＯｘ浄化効率の低下が抑えられる。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、ウォールフロー型の基材からなるＤＰＦにＳＣＲ触媒を担持し、アンモニアスリップ触媒装置にウォールフロー型の基材を用いているので、排気ガスの浄化効率を低下させずに排気ガス浄化装置を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の実施の形態に係る排気ガス浄化装置の構成模式図である。
【図２】この実施の形態に係る排気ガス浄化装置のアンモニアスリップ触媒装置の基材の変形例の部分拡大断面図である。
【図３】この実施の形態に係る排気ガス浄化装置のアンモニアスリップ触媒装置の基材の別の変形例の部分拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に示されるように、ディーゼルエンジン１から排出された排気ガスが流通する排気管２に、酸化触媒装置３と、ウォールフロー型の基材１１にＳＣＲ触媒が担持されたＤＰＦ４と、ウォールフロー型の基材１２にアンモニアスリップ触媒が担持されたアンモニアスリップ触媒装置５とが設けられている。酸化触媒装置３とＤＰＦ４との間には、尿素水を噴射する尿素水噴射弁７が設けられており、尿素水噴射弁７は、配管８を介して、尿素水を貯留する尿素水タンク９に連通している。配管８には、尿素水タンク９内の尿素水を尿素水噴射弁７に供給するための尿素水添加システム１０が設けられている。尿素水添加システム１０は、制御装置であるＥＣＵ１４に電気的に接続されている。
【００１２】
ＤＰＦ４は、排気ガス中のＰＭを捕捉することが主な機能であるため、基材１１の気孔率及び平均細孔径は、ＰＭを十分捕捉できると共に排気ガスの圧力損失が過度に大きくならないほどの気孔率及び平均細孔径を有することが必要とされる。ただし、ＤＰＦ４の基材１１に適した気孔率及び平均細孔径の範囲は、当業者には周知である。一方、アンモニアスリップ触媒装置５では、排気ガスの浄化反応に使用されずにＤＰＦ４をスリップしてきたアンモニアや、酸化触媒装置３で酸化されなかったＣＯやＨＣを酸化することが主な機能であるため、アンモニアスリップ触媒装置５の基材１２には、ＰＭの捕捉に適した基材１１の気孔率及び平均細孔径の範囲は要求されない。そこで、この実施の形態では、基材１２の気孔率及び平均細孔径は、基材１１の気孔率及び平均細孔径以上とする。これにより、酸化触媒装置３とＤＰＦ４とアンモニアスリップ触媒装置５で構成される尿素ＳＣＲシステムによる圧力損失をできるだけ小さくすることができる。このとき、基材の壁厚を薄くした構造や基材のセル数を少なくした構造と組み合わせてもよい。また、アンモニアスリップ触媒装置５にウォールフロー型の基材１２を使用すると、アンモニアスリップ触媒装置５に流入した排気ガスは、基材１２の内部の細孔を通過しなければアンモニアスリップ触媒装置５から流出できないので、基材１２に担持されたアンモニアスリップ触媒と排気ガスとの接触効率が向上する。このため、同じ容積を有するストレートフロー型の基材を用いた場合に比べて、アンモニアやＣＯ並びにＨＣの酸化効率が高くなる。これにより、ストレートフロー型の基材を用いた場合に比べて、アンモニアスリップ触媒装置５を小さくすることができる。
【００１３】
次に、この実施の形態に係る排気ガス浄化装置の動作について説明する。
ディーゼルエンジン１の始動後、排出された排気ガスは、排気管２を流通する。排気ガスが酸化触媒装置３を流通することにより、排気ガス中のＮＯの一部がＮＯ２に酸化され、ＣＯやＨＣも酸化される。続いて排気ガスがＤＰＦ４を流通することにより、排気ガス中のＰＭがＤＰＦ４に捕捉される。また、ＥＣＵ１４は適切なタイミングで尿素水添加システム１０を作動させ、尿素水タンク９内の尿素水を、配管８を介して尿素水噴射弁７に供給し、尿素水噴射弁７から尿素水が間欠的にＤＰＦ４に供給される。ＤＰＦ４に添加された尿素水は、排気ガスの熱によって加水分解されてアンモニアと二酸化炭素（ＣＯ２）となり、生成したアンモニアと排気ガス中のＮＯｘとが反応して、窒素（Ｎ２）及び水となる。ＤＰＦ４において消費されずに残ったアンモニアは、アンモニアスリップ触媒装置５において酸化される。このようにしてＮＯｘが浄化された排気ガスは、排気管２を流通して大気中へ排気される。
【００１４】
アンモニアスリップ触媒装置５にウォールフロー型の基材１２を用いているものの、基材１２の気孔率及び平均細孔径を、ＤＰＦ４の基材１１の気孔率及び平均細孔径以上とすることで、尿素ＳＣＲシステムによる圧力損失の上昇をできるだけ抑えながら、アンモニアスリップ触媒装置５にウォールフロー型の基材１２の使用が可能となる。アンモニアスリップ触媒装置５にウォールフロー型の基材１２を用いることにより、ストレートフロー型の基材を用いた場合に比べて、同じ容積でもアンモニアスリップ触媒装置５における酸化効率を高めることができる。その結果、ストレートフロー型の基材を用いた場合に比べて、アンモニアスリップ触媒装置５を小型化することができる。
【００１５】
このように、ウォールフロー型の基材１１からなるＤＰＦ４にＳＣＲ触媒を担持し、アンモニアスリップ触媒装置５にウォールフロー型の基材１２を用いているので、排気ガスの浄化効率を低下させずに排気ガス浄化装置を小型化することができる。
【００１６】
実施の形態１では、アンモニアスリップ触媒装置５の基材１２にアンモニアスリップ触媒のみを担持していたが、この形態に限定するものではない。基材１２にＳＣＲ触媒を担持してもよい。基材１２にＳＣＲ触媒を担持することにより、ＤＰＦ４をスリップするアンモニアが存在することから、アンモニアスリップ触媒装置５においても、アンモニアを還元剤とするＮＯｘの還元反応が生じ、ＮＯｘの浄化が可能となる。
【００１７】
しかしながら、基材１２にアンモニアスリップ触媒及びＳＣＲ触媒を担持したアンモニアスリップ触媒装置５において、アンモニアを還元剤とするＮＯｘの還元反応が生じる前にアンモニアがアンモニアスリップ触媒によって酸化されてしまうと、ＮＯｘの還元反応が生じず、ＮＯｘの浄化ができなくなる。そこで、アンモニアスリップ触媒装置５において、アンモニアの酸化反応が生じる前にＮＯｘの還元反応が生じるようにする必要がある。
【００１８】
図２には、アンモニアの酸化反応が生じる前にＮＯｘの還元反応が生じるようにしたアンモニアスリップ触媒装置５（図１参照）の基材１２の部分拡大断面図が示されている。基材１２の内部には、排気ガスが通過可能な細孔が形成されており、全細孔の壁面にほぼ均一にＳＣＲ触媒２０が担持されている。すなわち、基材１２の内部にほぼ均一に担持されている。また、基材１２の壁面１２ｂには、アンモニアスリップ触媒３０が担持されている。壁面１２ｂへのアンモニアスリップ触媒３０への担持の際に、アンモニアスリップ触媒３０の一部が、壁面１２ｂに開口する開口部から各細孔内に流入し、各細孔の壁面１２ｂに開口する開口部付近の壁面にもアンモニアスリップ触媒３０が担持される。このような担持形態は、最初にＳＣＲ触媒２０を、基材１２の内部に担持させた後、アンモニアスリップ触媒３０を、基材１２の壁面１２ｂに担持させることにより実現できる。
【００１９】
基材１２はウォールフロー型であるため、排気ガスは、ディーゼルエンジン１側が開口し、ディーゼルエンジン１とは反対側が目封じされた流路に流入し、基材１２の壁面１２ａに開口する各細孔の開口部から細孔に流入し、細孔を通過して、基材１２の壁面１２ｂに開口する各細孔の開口部からディーゼルエンジン１側が目封じされ、ディーゼルエンジン１とは反対側が開口した流路へ流出する。このため、壁面１２ａに開口する開口部から各細孔内に流入した排気ガスが各細孔を流通する間、各細孔の壁面に担持されたＳＣＲ触媒によって、アンモニアを還元剤としてＮＯｘが還元される。この還元反応に使用されなかったアンモニアは、壁面１２ｂに開口する開口部から流出する際に、アンモニアスリップ触媒３０によって酸化される。これにより、アンモニアスリップ触媒装置５において、アンモニアの酸化反応が生じる前にＮＯｘの還元反応が生じるようにすることができる。
【００２０】
図３には、アンモニアの酸化反応が生じる前にＮＯｘの還元反応が生じるようにしたアンモニアスリップ触媒装置５（図１参照）の基材１２の別の形態の部分拡大断面図が示されている。この形態では、基材１２の内部の全細孔の壁面にほぼ均一にＳＣＲ触媒２０及びアンモニアスリップ触媒３０が担持されているものの、アンモニアスリップ触媒３０の少なくとも一部がＳＣＲ触媒２０によって覆われるように担持され、ＳＣＲ触媒２０によって覆われていない部分では、アンモニアスリップ触媒３０が露出されている。このような担持形態は、最初にアンモニアスリップ触媒３０を、基材１２の内部に担持させた後、ＳＣＲ触媒２０を、基材１２の内部に担持させることにより実現できる。
【００２１】
壁面１２ａに開口する開口部から各細孔内に流入した排気ガスが各細孔を流通する間、排気ガスは、細孔の壁面に担持されたＳＣＲ触媒２０及びアンモニアスリップ触媒３０のうち露出した部分と接触する。アンモニアスリップ触媒３０の少なくとも一部がＳＣＲ触媒２０によって覆われているので、排気ガスがＳＣＲ触媒２０に接触すると、アンモニアを還元剤としてＮＯｘが還元される。ＳＣＲ触媒２０の層を拡散して、その下のアンモニアスリップ触媒３０の層に達するまでの間に消費されなかったアンモニアは、アンモニアスリップ触媒３０によって酸化される。また、排気ガスが各細孔を流通する間、ＳＣＲ触媒２０によって覆われておらず露出したアンモニアスリップ触媒３０に排気ガスが接触すると、アンモニアはアンモニアスリップ触媒３０によって酸化される。このような形態でも、アンモニアスリップ触媒装置５において、アンモニアの酸化反応が生じる前にＮＯｘの還元反応が生じるようにすることができる。
【００２２】
図２及び３に示された形態以外にも、基材１２の壁面１２ａにＳＣＲ触媒２０を担持すると共に基材１２の内部にアンモニアスリップ触媒３０をほぼ均一に担持した形態や、基材１２の壁面１２ａにＳＣＲ触媒を担持すると共に基材１２の壁面１２ｂにアンモニアスリップ触媒３０を担持した形態でも、アンモニアスリップ触媒装置５において、アンモニアの酸化反応が生じる前にＮＯｘの還元反応が生じるようにすることができる。
【００２３】
この実施の形態では、排気管２内に尿素水を添加し、排気ガスの熱により尿素を加水分解することによってアンモニアを生成させていたが、この形態に限定するものではない。排気管２内に直接アンモニアを添加してもよい。
【符号の説明】
【００２４】
１  ディーゼルエンジン（内燃機関）、２  排気管、４  ＤＰＦ、５  アンモニアスリップ触媒装置、１１  （ＤＰＦの）基材、１２  （アンモニアスリップ触媒装置の）基材、１２ｂ  （アンモニアスリップ触媒装置の基材の）壁面、２０  ＳＣＲ触媒、３０  アンモニアスリップ触媒。
【図１】
2014062501.tif 000003
【図２】
2014062501.tif 000004
【図３】
2014062501.tif 000005