(57)【要約】【課題】  ＤＰＦ、加水分解触媒、ＳＣＲ触媒を共用化して省スペース及び軽量化を達成すると共に、ＳＣＲ触媒上でＮＨ3とＮＯxとを確実に反応させて良好なＮＯx還元作用が得られる内燃機関の排気浄化装置を提供する。【解決手段】  排ガス中のパティキュレートマターを捕集可能なウォールフロー式フィルタ４のフィルタ壁１２の排ガス流入面１４ａに加水分解触媒１５を担持し、フィルタ壁１２の排ガス流出面１４ｂにＳＣＲ触媒１６を担持する。【選択図】      図２
2006183507.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に排ガス中のパティキュレートマターを捕集可能なウォールフロー式のフィルタを設け、該フィルタに加水分解触媒及び選択還元型ＳＣＲ触媒を担持し、該フィルタの上流側に尿素供給手段を配置した内燃機関の排気浄化装置において、
上記フィルタのフィルタ壁の排ガス流入面に上記加水分解触媒を担持し、該フィルタ壁の排ガス流出面に上記選択還元型ＳＣＲ触媒を担持したことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関の排気浄化装置に係り、詳しくは尿素をアンモニアに分解して排ガス中のＮＯxの還元剤として利用する排気浄化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えばディーゼルエンジン等のようにリーン空燃比下で燃焼を行う内燃機関では排ガス中に含まれるＮＯx及びパティキュレートマター（ＰＭ）の浄化が要求され、この要求に対してＮＯxを浄化する還元剤として尿素を利用するアンモニア添加式ＮＯx触媒とＰＭ捕集用のＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）とを組合わせたものが実用化されている。
【０００３】
図４はこの種の排気浄化装置の構成を示しており、排気通路１０１の上流側から前段酸化触媒１０２、加水分解触媒１０３、選択還元型ＳＣＲ触媒１０４（上記したアンモニア添加式ＮＯx触媒であり、以下、単にＳＣＲ触媒と称する）、ＤＰＦ１０５、後段酸化触媒１０６が設置され、加水分解触媒１０３の上流側に尿素水溶液を供給するための噴射ノズル１０７が配置されている。ＤＰＦ１０５でのＰＭ捕集量が増大するとポスト噴射等が実施されて排気通路１０１に燃料が供給され、前段酸化触媒１０２上での燃料が酸化反応したときの燃焼熱によりＤＰＦ１０５上のＰＭが強制的に燃焼される。
【０００４】
又、噴射ノズル１０７から供給された尿素水溶液は加水分解触媒１０３上で排ガス中のＨ2Ｏと反応してＮＨ3（アンモニア）に分解され、ＳＣＲ触媒１０４上で排ガス中のＮＯxはＮＨ3と反応して無害なＮ2に還元され、一方、このときの余剰ＮＨ3は後段酸化触媒１０６によりＮＯに酸化されると共に、上記強制再生でのＰＭ燃焼の際に生じるＣＯも後段酸化触媒１０６によりＣＯ2に酸化され、以上のようにしてＰＭ及びＮＯxの浄化が図られる。
【０００５】
しかしながら、上記排気浄化装置の構成では、排気通路１０１に触媒やフィルタを個別に配置していることから、システム全体としてかなりのスペースを要して車両への搭載性が悪い上に、重量増大により燃費悪化の要因になるという問題があった。
そこで、触媒やフィルタを共用化することにより省スペース及び軽量化を図った対策が提案されている（例えば、特許文献１参照）。当該特許文献１に開示された排気浄化装置では、ＤＰＦとしての機能を奏するウォールフロー型フィルタのフィルタ壁内にＳＣＲ触媒を担持する一方、フィルタ壁の排ガス流入面に加水分解触媒を担持し、フィルタ壁の排ガス流出面に後段酸化触媒を担持しており、排ガスがフィルタ壁を流通する際に、フィルタによりＰＭを捕集すると共に、加水分解触媒によるＮＨ3の生成、ＳＣＲ触媒によるＮＯxの還元、後段酸化触媒による余剰ＮＨ3やＣＯの酸化を行っている。
【特許文献１】特開２００４−６０４９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示された排気浄化装置では、フィルタ壁内にＳＣＲ触媒を担持したことにより以下に述べる不具合が発生してしまう。
即ち、図５の拡大断面図に示すようにフィルタ壁２０１内にＳＣＲ触媒２０２を担持すると、フィルタ壁２０１に形成されている微細な細孔２０１ａを閉塞することに繋がり、このときの細孔２０１ａの閉塞は触媒担持量が増大するほど顕著になってフィルタの圧力損失が増大する。従って、圧力損失の増大を抑制するためにＳＣＲ触媒２０２の担持量を制限する必要が生じ、結果としてＳＣＲ触媒により良好なＮＯx還元作用が得られないという問題があった。
【０００７】
更に、ＳＣＲ触媒２０２上でＮＨ3をＮＯxと反応させて確実に還元させるには、排ガス中のＮＨ3とＮＯxとがＳＣＲ触媒２０２に到達した時点で既に十分に混合している必要があるが、特許文献１の技術のようにＳＣＲ触媒２０２が加水分解触媒に隣接していると、加水分解触媒で生成されたＮＨ3がＮＯxと混合する間もなくＳＣＲ触媒２０２上に移送されてしまう。このためＳＣＲ触媒２０２上でＮＨ3とＮＯxとが十分に反応せず、この点もＳＣＲ触媒２０２でのＮＯx還元作用が不十分な要因であった。
【０００８】
本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、その目的とするところは、触媒やフィルタを共用化することにより省スペース及び軽量化を達成すると共に、ＳＣＲ触媒上でＮＨ3とＮＯxとを確実に反応させて良好なＮＯx還元作用を得ることができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、内燃機関の排気通路に排ガス中のＰＭを捕集可能なウォールフロー式のフィルタを設け、フィルタに加水分解触媒及び選択還元型ＳＣＲ触媒を担持し、フィルタの上流側に尿素供給手段を配置した内燃機関の排気浄化装置において、フィルタのフィルタ壁の排ガス流入面に加水分解触媒を担持し、フィルタ壁の排ガス流出面に選択還元型ＳＣＲ触媒を担持した。
【００１０】
従って、排ガスがフィルタを流通する際に排ガス中のＰＭがフィルタ壁に捕集される。捕集されたＰＭは、例えばフィルタの上流側の酸化触媒で生成されたＮＯ2を酸化剤として利用した連続再生、或いは酸化触媒上で燃料を酸化反応させたときの燃焼熱を利用した強制再生により燃焼される。
又、尿素供給手段から供給された尿素はフィルタの加水分解触媒上でＮＨ3に分解され、フィルタ壁を経てＳＣＲ触媒に移送され、このＮＨ3を利用してＳＣＲ触媒上では排ガス中のＮＯxが無害なＮ2に還元される。
【００１１】
このようにＰＭを捕集するＤＰＦ、尿素をＮＨ3に分解する加水分解触媒、ＮＨ3を利用してＮＯxを還元するＳＣＲ触媒を共用化しているため、省スペース及び軽量化が可能となる。そして、ＳＣＲ触媒をフィルタ壁内に担持することなく排ガス流出面に担持していることから、フィルタ壁の細孔の閉塞による圧力損失が防止されると共に、ＳＣＲ触媒の担持量が十分に確保されてＮＨ3とＮＯxとを確実に反応可能となる。更に、加水分解触媒を通過後の排ガスは、フィルタ壁の厚み以上の経路を細孔内で紆余曲折しながら移送されるため、排ガス中に含まれるＮＨ3とＮＯxとが十分に混合される。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように請求項１の発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、ＤＰＦ、加水分解触媒、ＳＣＲ触媒を共用化することにより省スペース及び軽量化を達成すると共に、ＳＣＲ触媒上でＮＨ3とＮＯxとを確実に反応させて良好なＮＯx還元作用を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を車両用ディーゼルエンジンの排気浄化装置に具体化した一実施形態を説明する。
図１は実施形態の内燃機関の排気浄化装置を示す概略構成図である。本実施形態のディーゼルエンジン１は走行用動力として車両に搭載されたものであり、ディーゼルエンジン１の排気通路２は車両の床下を経て車両後部まで延設されている。排気通路２には上流側から前段酸化触媒３、フィルタ４、後段酸化触媒５が配設され、前段酸化触媒３及び後段酸化触媒５は、例えば図４に示す従来例と同じく酸化作用を奏する一般的なものであり、フィルタ４は後述するようにＤＰＦの機能に加えて、加水分解触媒１５及びＳＣＲ触媒１６の機能を果たすようになっている。
【００１４】
排気通路２の前段酸化触媒３とフィルタ４との間の個所には噴射ノズル６が配置され、この噴射ノズル６は図示しない尿素供給源と接続されている。尿素供給源から供給される尿素は噴射ノズル６により排気通路２内に向けて噴射され、尿素の噴射量はエンジン１の運転制御用の図示しないコントローラにより調整される。本実施形態では、これらの噴射ノズル６及び尿素供給源により尿素供給手段が構成されている。
【００１５】
図２はフィルタ４を示す断面図であり、フィルタ４はＰＭを捕集可能なように所謂ウォールフロー式フィルタとして構成されている。例えばフィルタ４の担体１１はコージェライト等の多孔質材料により成形され、担体１１の内部はフィルタ壁１２により排ガスの流通方向（図の左方から右方）に延びる多数の通路１３ａ，１３ｂに区画されている。各通路１３ａ，１３ｂは交互に上流側又は下流側が閉鎖され、これにより前段酸化触媒３側に連通する上流通路１３ａと後段酸化触媒５側に連通する下流通路１３ｂとが相互に隣接する配置状態となっている。
よって、前段酸化触媒３からの排ガスは、まずフィルタ４の上流通路１３ａ内に導入され、フィルタ壁１２の細孔を経て下流通路１３ｂに流通した後に後段酸化触媒５へと案内される。ここで、説明の便宜上、フィルタ壁１２の上流通路１３ａ側の面を排ガス流入面１４ａと称し、フィルタ壁１２の下流通路１３ｂ側の面を排ガス流出面１４ｂと称する。
【００１６】
図３はフィルタ壁１２の細孔を示す部分拡大断面図であり、この図に示すようにフィルタ壁１２の排ガス流入面１４ａには全体に加水分解触媒１５が担持され、フィルタ壁１２の排ガス流出面１４ｂには全体にＳＣＲ触媒１６が担持されており、フィルタ壁１２内に触媒類は担持されていない。従って、フィルタ壁１２の細孔１２ａは担体１１の成形時の本来の形状に保たれており、フィルタ壁１２内にＳＣＲ触媒等を担持した場合のような細孔１２ａの閉塞は一切発生せず、フィルタ４の圧力損失は最小限に抑制されている。又、ＳＣＲ触媒１６はフィルタ壁１２の排ガス流出面１４ｂに担持されているため、フィルタ壁１２内に担持した場合のように圧力損失を抑制するために担持量を制限する必要は一切なく、エンジン仕様やフィルタ容量等に基づく必要量のＳＣＲ触媒１６が担持されている。
【００１７】
一方、加水分解触媒１５とＳＣＲ触媒１６とはフィルタ壁１２の厚みに相当する距離だけ離間配置されており、加水分解触媒１５を流通した排ガスは、フィルタ壁１２の細孔１２ａに沿って少なくともフィルタ壁１２の厚み以上の経路を移送されてＳＣＲ触媒１６に到達することになる。
このように構成されたフィルタは、例えば以下の手順により製造される。
【００１８】
まず、担体１１を成形した後、フィルタ壁１２の細孔１２ａ内への触媒の進入を防止すべく、フィルタ壁１２の細孔１２ａを充填剤により埋める。充填剤としては、加熱により昇華する特性を備えたものを使用する。次いで、各下流通路１３ｂの開口部を閉塞した上で、加水分解触媒１５を満たした槽に担体１１全体を浸漬し、乾燥後に焼成して水分を除去すると、フィルタ壁１２の排ガス流入面１４ａ上に加水分解触媒１５が担持される。その後、各上流通路１３ａの開口部を閉塞した上で、ＳＣＲ触媒１６を満たした槽に担体１１全体を浸漬し、乾燥後に焼成して水分を除去すると、フィルタ壁１２の排ガス流出面１４ｂ上にＳＣＲ触媒１６が担持される。更に担体１１全体を加熱して細孔１２ａ内の充填剤を昇華・除去すると、フィルタ４の製造が完了する。勿論、加水分解触媒１５とＳＣＲ触媒１６との担持順序を逆にする等の変更も可能である。
【００１９】
次に、以上のように構成されたディーゼルエンジン１の排気浄化装置による排気浄化作用について説明する。
運転中のディーゼルエンジン１から排出された排ガスは排気通路２に案内されて前段酸化触媒３、フィルタ４、後段酸化触媒５の順に流通した後、図示しない消音器を経て外部に排出される。フィルタ４では排ガスが上流通路１３ａからフィルタ壁１２の細孔１２ａを経て下流通路１３ｂへと流通し、その際に排ガス中に含まれるＰＭがフィルタ壁１２の排ガス流入面１４ａ（詳しくは、加水分解触媒１５上）に捕集される。
【００２０】
前段酸化触媒３では排ガス中のＮＯから酸化反応によりＮＯ2が生成され、生成されたＮＯ2は酸化剤としてフィルタ４に供給され、フィルタ４上に捕集されたＰＭを連続的に燃焼させる（連続再生）。又、上記エンジン制御用のコントローラでは現在のフィルタ４上のＰＭ捕集量を推定しており、ＰＭ捕集量が予め設定された所定値を越えると、ポスト噴射等を実施して排気通路２に燃料を供給し、前段酸化触媒３上で燃料が酸化反応したときの燃焼熱によりフィルタ４上のＰＭが強制的に燃焼される（強制再生）。尚、ＰＭ捕集量の推定手法としては、エンジン１の運転状態から算出したＰＭ捕集量を逐次積算してフィルタ４上でのＰＭ捕集量を求めたり、或いはフィルタ４の前後差圧からＰＭ捕集量を推定したりする周知方法が適用される。
【００２１】
一方、噴射ノズル６から排気通路２内に供給された尿素水溶液は排ガスと混合された状態でフィルタ４に移送され、フィルタ壁１２の排ガス流入面１４ａに担持された加水分解触媒１５上で次式(1)に示すように排ガス中のＨ2Ｏと反応してＮＨ3に分解される。
（ＮＨ2）2ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→２ＮＨ3＋ＣＯ2………(1)
ＮＨ3は排ガスと共にフィルタ壁１２の細孔１２ａを経て排ガス流出面１４ｂに担持されたＳＣＲ触媒１６に移送され、このＳＣＲ触媒１６上で例えば次式(2)に示すように排ガス中のＮＯxがＮＨ3と反応して無害なＮ2に還元される。
４ＮＯ＋４ＮＨ3＋Ｏ2→４Ｎ2＋６Ｈ2Ｏ………(2)
【００２２】
その後、排ガスは後段酸化触媒５を流通し、その際にＳＣＲ触媒１６上でＮＯxの還元に貢献しなかった余剰ＮＨ3がＮＯに酸化されると共に、上記強制再生でＰＭ燃焼の際に生じるＣＯもＣＯ2に酸化され、以上のようにしてＰＭ及びＮＯxの浄化が図られる。
このように本実施形態のディーゼルエンジン１の排気浄化装置では、フィルタ４をＤＰＦとして成形してフィルタ壁１２の排ガス流入面１４ａに加水分解触媒１５を担持すると共に、フィルタ壁１２の排ガス流出面１４ｂにＳＣＲ触媒１６を担持して、これによりＤＰＦ、加水分解触媒１５、ＳＣＲ触媒１６を共用化している。よって、これらの触媒やフィルタを個別に設けた図４の従来例に比較すると、省スペースにより車両への搭載性が向上すると共に、軽量化により燃費向上を達成することができる。加えて、一般に触媒やフィルタは担体をグラスマットで巻回してコンバータケースに収容するキャニング工程を経て製作されるが、上記共用化によりキャニング工程を実施する回数が減少するため、製造コストの低減にも貢献する。
【００２３】
一方、ＳＣＲ触媒１６をフィルタ壁１２内に担持することなく排ガス流出面１４ｂに担持していることから、フィルタ壁１２の細孔１２ａの閉塞を防止して圧力損失を低減できると共に、ＳＣＲ触媒１６の担持量を十分に確保してＮＨ3とＮＯxとを確実に反応させることができ、もって、フィルタ４の圧力損失とＳＣＲ触媒１６によるＮＯx還元作用とを高次元で両立させることができる。
【００２４】
又、特許文献１の技術と同様にフィルタ壁１２の細孔１２ａ内にＳＣＲ触媒１６を担持した場合には、強制再生に伴ってフィルタ温度が大幅に変動したときに、細孔１２ａ内で膨張係数の異なるＳＣＲ触媒１６が膨張・収縮を繰返してフィルタ４にダメージを与える虞があるが、フィルタ壁１２の細孔１２ａ内に触媒類を担持しない本実施形態ではこのような現象が発生しないため、フィルタ４の耐久性を向上できるという利点も得られる。
【００２５】
更に、フィルタ４の加水分解触媒１５を通過後の排ガスはフィルタ壁１２を通過してＳＣＲ触媒１６に到達するため、その間に少なくともフィルタ壁１２の厚み以上の経路を移送され、しかも、細孔１２ａが複雑に入組んでいることから排ガスは細孔１２ａ内を紆余曲折しながら移送される。即ち、このときのフィルタ壁１２の細孔１２ａはあたかも攪拌器としての機能を奏して排ガス中に含まれるＮＨ3とＮＯxとを十分に混合するため、結果としてＳＣＲ触媒１６上でＮＨ3とＮＯxとの反応を促進でき、この点もＮＯx還元作用の向上に貢献する。
【００２６】
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、車両用ディーゼルエンジン１の排気浄化装置に具体化したが、エンジン１の用途や種別はこれに限ることはなく、例えば定置型エンジン用の排気浄化装置に具体化してもよい。
又、上記実施形態では、フィルタ壁１２の排ガス流入面１４ａの全体に加水分解触媒１５を担持し、フィルタ壁１２の排ガス流出面１４ｂの全体にＳＣＲ触媒１６を担持し、且つ、フィルタ壁１２内には一切の触媒類を担持しなかったが、この態様に限るものではなく、例えば加水分解触媒１５やＳＣＲ触媒１６の担持領域を部分的に限定したり、或いはフィルタ壁１２内に圧力損失に影響しない程度のごく少量の触媒類を担持したりすることを妨げるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】実施形態の内燃機関の排気浄化装置を示す概略構成図である。
【図２】実施形態のフィルタを示す断面図である。
【図３】実施形態のフィルタ壁の細孔を示す部分拡大断面図である。
【図４】個別に触媒及びフィルタを配置した従来技術の排気浄化装置を示す概略構成図である。
【図５】特許文献１のフィルタ壁の細孔を示す部分拡大断面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１      ディーゼルエンジン（内燃機関）
２      排気通路
４      フィルタ
６      噴射ノズル（尿素供給手段）
１４ａ  排ガス流入面
１４ｂ  排ガス流出面
１５    加水分解触媒
１６    ＳＣＲ触媒
【図１】
2006183507.tif 000003
【図２】
2006183507.tif 000004
【図３】
2006183507.tif 000005
【図４】
2006183507.tif 000006
【図５】
2006183507.tif 000007