(57)【要約】【課題】内燃機関の排ガスを浄化する排ガス浄化装置において、燃焼装置および還元装置の性能を確保しつつ、排ガス浄化装置を小型化することを目的とする。【解決手段】内燃機関の排ガス通路に配置された還元触媒を塗布した還元装置３と、その前段にアルカリ金属と遷移金属の複合酸化物を含む燃焼触媒９を塗布した燃焼装置２と、還元剤を噴射する噴射装置７とを備え、前記噴射装置７を燃焼装置２の上流に配置した構成にしたことにより、燃焼装置２および還元装置３の性能を確保しつつ、小型化した排ガス浄化装置を得られる。【選択図】図１
2018087497.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気ガス通路に配置させることができる排ガス浄化装置であって、還元触媒を塗布した還元装置と、その前段に燃焼触媒を塗布した燃焼装置と、前記還元装置を通過させる排気ガスに還元剤を噴射する噴射装置とを備え、前記燃焼装置は、ウォールフロー型の構造でありセル壁で区画された複数のセルを備え、前記燃焼触媒がアルカリ金属と遷移金属の複合酸化物を含み、前記噴射装置は、燃焼装置の上流に配置されていることを特徴とする排ガス浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼルエンジン等の内燃機関に使用される排ガス浄化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車、船舶、発電機等の各種内燃機関から発生する排気ガスには、有害物質が含まれており、有害物質に対応した排ガス浄化装置を用いることにより、外部に排出される有害物質は減少しつつある。特にディーゼルエンジンは、固体状炭素微粒子や、液体又は固体状の高分子量炭化水素微粒子などの粒子状物質（ＰＭ：Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  Ｍａｔｔｅｒ）や窒素酸化物が排出されることから、複数の排ガス浄化装置を組み合わせて有害物質を減少させている。たとえば、ＰＭを除去する方法の一つとして、セラミックハニカム、セラミックフォーム、金属発泡体等の耐熱性の排ガス浄化フィルタを用いる方法が開発されている。この方法では、まず排ガス浄化フィルタで排ガス中のＰＭを捕集する。
【０００３】
そして、ＰＭの捕集によりフィルタの圧力損失が上昇した場合には、バーナー又はヒーター等で排ガス浄化フィルタを加熱し、堆積したＰＭを燃焼させ、炭酸ガスに変えて外部に放出することにより、フィルタを再生することができる。
【０００４】
また、触媒を排ガス浄化フィルタに担持し、ＰＭを触媒作用により燃焼させることで、バーナー又はヒーターなどによる燃焼操作を軽減して、フィルタを再生する方法もある。例えば、耐熱性セラミックからなるフィルタ基材に予めＰＭ燃焼触媒を担持させておき、ＰＭの捕集と共に燃焼反応を行わせる方法が研究されている。現在、ＰＭ燃焼触媒には白金、パラジウム等の白金族金属が広く使用されている。これは白金族金属を用いた触媒が、良好なＰＭ燃焼性能と耐久性能とを持つためである。
【０００５】
一方、窒素酸化物の浄化システムとしては尿素ＳＣＲシステムが知られている。尿素ＳＣＲシステムでは、排ガス通路に窒素酸化物を選択的に還元する還元触媒と、その上流において排ガスに還元剤（尿素水）を噴射する噴射装置が備えられている。噴射された尿素水は排ガス中でアンモニアを生成して、アンモニアの作用により窒素酸化物を窒素と水に分解することで窒素酸化物を除去するものである。還元触媒による窒素酸化物の浄化を効果的に行うためには、噴射された還元剤が還元装置に一様に供給される必要がある。例えば噴射装置と還元装置の間にミキサー（旋廻流板）を設置して、還元剤が還元触媒に到達するまでの経路を長く取ることで、還元剤の拡散させることができる（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１２／０２１６５１３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、この種の排気浄化システムにおいて、ＰＭ燃焼触媒として広く使用される白金族金属を含む触媒は、添加する還元剤を酸化してしまうことが知られている。還元剤の酸化を防ぐために、添加する還元剤の噴射装置は、燃焼装置と還元装置の間に設置する必要があった。
【０００８】
また、噴射弁から噴射された還元剤は、噴射直後には濃度に偏りがあり、想定した以上の濃度で還元剤が還元装置に到達すると、窒素酸化物の還元に寄与しない還元剤が還元装置下流側に放出されるスリップという現象を発生してしまうこともあった。そこで還元装置前段にミキサー等を設置して、還元装置の前で拡散させる必要があった。
【０００９】
その結果、還元装置上流側の経路を長くした効果は得られるが装置間の距離が長くなり、排ガス浄化装置が大きくなり、車両の容量を圧迫していた。
【００１０】
そこで本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、燃焼装置および還元装置の性能を確保しつつ、排ガス浄化装置を小型化することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
そして、この目的を達成するために、本発明は、内燃機関の排気ガス通路に配置させることができる排ガス浄化装置であって、還元触媒を塗布した還元装置と、その前段に燃焼触媒を塗布した燃焼装置と、前記還元装置を通過させる排気ガスに還元剤を噴射する噴射装置とを備え、前記燃焼装置は、ウォールフロー型の構造でありセル壁で区画された複数のセルを備え、前記燃焼触媒がアルカリ金属と遷移金属の複合酸化物を含み、前記噴射装置は、燃焼装置の上流に配置されているものであり、これにより所期の目的を達成するものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、内燃機関の排気ガス通路に配置させることができる排ガス浄化装置であって、還元触媒を塗布した還元装置と、その前段に燃焼触媒を塗布した燃焼装置と、前記還元装置を通過させる排気ガスに還元剤を噴射する噴射装置とを備え、前記燃焼装置は、ウォールフロー型の構造でありセル壁で区画された複数のセルを備え、前記燃焼触媒がアルカリ金属と遷移金属の複合酸化物を含み、前記噴射装置は、燃焼装置の上流に配置されている構成にしたことにより、噴射装置と還元装置の経路を長くとることができ、還元剤が拡散しやすくなる。
【００１３】
特に、還元剤を燃焼装置に通すことで還元剤の分散を推進することができるため、ミキサーを備えることは不要になる。また、アルカリ金属と遷移金属の複合酸化物を含む燃焼触媒は還元剤との相互作用がないため、還元剤が燃焼装置を通ることによる燃焼装置および還元装置の性能への影響を排除することができる。
【００１４】
したがって、燃焼装置および還元装置の性能を確保しつつ、排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】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態１の排ガス浄化装置の概略図
【図２】本発明の実施の形態１の排ガス浄化フィルタの一部を示す断面図
【図３】図１のＬ１−Ｌ１線で切ったときの排ガス浄化フィルタの一部を示す断面図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の請求項１記載の排ガス浄化装置は、内燃機関の排気ガス通路に配置させることができる排ガス浄化装置であって、還元触媒を塗布した還元装置と、その前段に燃焼触媒を塗布した燃焼装置と、前記還元装置を通過させる排気ガスに還元剤を噴射する噴射装置とを備え、前記燃焼装置は、ウォールフロー型の構造でありセル壁で区画された複数のセルを備え、前記燃焼触媒がアルカリ金属と遷移金属の複合酸化物を含み、前記噴射装置は、燃焼装置の上流に配置されている構成を有する。これにより、噴射装置から還元装置までの経路を長くとることができ、還元剤を拡散させやすくすることができる。さらに、還元剤を燃焼装置に通すことで還元剤の分散を推進することができるので、燃焼装置および還元装置の性能を確保しつつ、排ガス浄化装置を小型化することができる。
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１８】
（実施の形態１）
図１に示すように、排ガス浄化装置１は、例えば、ディーゼルエンジン等の内燃機関の排気通路に設けることができる。前記排気通路を流れる排ガス中の粒子状物質（以下、ＰＭと記載）および窒素酸化物を除去するものである。
【００１９】
排ガス浄化装置１は、ＰＭを除去する燃焼装置２と、窒素酸化物を除去する還元装置３とを有し、燃焼装置２の上流側に接続された第一排気ガス管４と、燃焼装置２と還元装置３を繋ぐ第二排気ガス管５と、還元装置３の下流側に接続された第三排気ガス管６とを備えている。
【００２０】
第一排気ガス管４には、第一排気ガス管４内部に還元剤（尿素水、ＮＨ４）を噴射する噴射装置７が備えられている。
【００２１】
噴射装置７は、第一排気ガス管４内壁から排ガス中へと還元剤を噴射できるように配置され、還元剤は液体やミスト状で排ガス中へと噴射される。還元剤の加水分解を促進させ、アンモニアの生成を促進するためにヒーター等を設けてもよい。
【００２２】
燃焼装置２は、ＰＭを捕集する多孔質の排ガス浄化フィルタ８と、ＰＭを燃焼して浄化する燃焼触媒９とを備える。
【００２３】
排ガス浄化フィルタ８は、ウォールフロー型の構造であり、セル壁で区画された複数のセルを備え、隣接するセルの端部が交互に目封じされている。これにより、排ガスの上流側を開口し、下流側が閉塞した排ガス流入セルと、排ガスの上流側が閉塞し、下流側が開口した排ガス流出セルとが、セル壁を介して隣接した構成となっている。なお、排ガス浄化フィルタ８の形状は上記のような形状に限定されるものではなく、ウォールスルー型、フロースルーハニカム型、金属あるいはセラミックスの発泡体型などでもよい。
【００２４】
排ガス浄化フィルタ８の材質は、耐熱性セラミックスや金属材料等からなる多孔質材料であればよい。耐熱性セラミックスとしては、例えば炭化ケイ素（ＳｉＣ）、コージェライト、窒化ケイ素、チタン酸アルミニウム等を用いることができる。金属材料としては、例えばステンレス合金、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金等を用いることができる。これらの中でも、耐熱性および触媒塗工性の観点から、炭化ケイ素が好ましい。セル壁に設けられた細孔の平均細孔径は特に限定されないが、例えば５μｍ〜５０μｍとすることができる。平均細孔径が５μｍ以上の場合には、ＰＭが堆積しても圧力損失の過度の上昇を抑制することができる。また、平均細孔径が５０μｍ以下の場合には、ＰＭの過度の素抜けを抑制することができる。セルの断面形状は特に限定されないが、触媒とＰＭの接触面積を大きくできる観点から、４〜８角形のうちのいずれかであることが好ましい。またセルの形成密度は特に限定されないが、上記と同様の観点から、セルの数は１平方インチあたり２００〜４００セルであることが好ましい。セル数を２００セル以上とすることで、触媒とＰＭの接触面積を十分に確保することができる。また、セル数を４００セル以下とすることで、セルへのＰＭ堆積による目詰まりを生じにくくすることができる。
【００２５】
燃焼触媒９は、アルカリ金属と遷移金属の複合酸化物を含む触媒である。燃焼触媒９はＰＭ燃焼性能が高くかつ、アンモニアの分解や吸着等の相互作用が少なければよい。また、ＰＭ燃焼性能を向上させるために、酸化物等の酸化物を担体として用いてもよい。
【００２６】
例えば、ＰＭ燃焼性能が高くするものとしてセリウム含有酸化物を含む担体は、比表面積が大きく、ＰＭと触媒の接触率向上させることができるため好ましい。
【００２７】
例えば、アンモニアの分解や吸着等の相互作用が少なくするものとしてバナジウムに対するセシウムのモル比（Ｃｓ／Ｖ）が１．０≦Ｃｓ／Ｖ≦１．５である触媒を塗布することが好ましい。
【００２８】
また、図示していないが、第一排気ガス管４には、排気ガス中の有害物質成分の一つであるＨＣやＣＯを浄化する酸化触媒（ＤＯＣ：Ｄｉｅｓｅｌ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  Ｃａｔａｌｙｓｔ）等が配置されることがある。この場合ＤＯＣによりアンモニアが酸化してしまうため、噴射装置７はＤＯＣと、燃焼装置２の間に配置することが好ましい。
【００２９】
還元装置３下流には、過剰なアンモニアを浄化するＡＳＣ（Ａｍｍｏｎｉａ  Ｓｌｉｐ  Ｃａｔａｌｙｓｔ）等が配置されることもある。この場合、還元装置３へと流れ込むアンモニアに影響がないため、還元装置３下流にＡＳＣを配置してもよい。
【００３０】
上記構成において、ディーゼルエンジンから排出された排ガスは、排ガス浄化装置１において、まず第一排気ガス管４を通り、噴射装置７から噴射された還元剤を含むこととなる。続いて、排ガスは、燃焼装置２へと流れ込み、排ガスからＰＭが取り除かれ、次に、還元剤を含んだ状態で第二排気ガス管５を通り、還元装置３へと流れる。
【００３１】
還元装置３内部では、窒素酸化物（ＮＯｘ）と還元剤から生成されたアンモニア（ＮＨ３）との還元反応、例えば、下記（式１）、（式２）、（式３）の還元反応を起こし、窒素酸化物を除去する。
【００３２】
４ＮＯ＋４ＮＨ３＋Ｏ２→４Ｎ２＋６Ｈ２Ｏ  ・・・（式１）
６ＮＯ２＋８ＮＨ３→７Ｎ２＋３Ｈ２Ｏ      ・・・（式２）
ＮＯ＋ＮＯ２＋２ＮＨ３→２Ｎ２＋３Ｈ２Ｏ  ・・・（式３）
そして、還元装置３から排出された排ガスは第三排気ガス管６を通り車両外に排出される。
【００３３】
さて、噴射装置７から噴射された還元剤は、還元装置３に到達するまでに、濃度差により拡散して均一になっていく。噴射装置７の位置を燃焼装置２の上流にすることにより、噴射装置７から還元装置３までの経路を長くすることができるとともに、排ガス浄化フィルタ８を通過することで拡散を促進することができる。
【００３４】
なぜなら、図２、３に示すように、排ガス浄化フィルタ８は、ウォールフロー型の構造であり、セル壁１０で区画された複数のセルを備え、隣接するセルの端部が交互に目封じされていることから、排ガス浄化フィルタ８の流入側のセル１１に入った還元剤を含む排ガスは、流出側のセル１２に移る際に強制的に４方向にわかれる。一方、流出側のセル１２では４方向に隣設する流入側セル１１から排ガスが入ってくるため、流出側のセル１２での還元剤の濃度は４方向に隣設する流入側セルの還元剤濃度の平均となる。排ガス浄化フィルタ８の各セルで同様の反応が起こるため、排ガス浄化フィルタ８を通過することで還元剤の拡散が促進される。その結果、下流側の還元装置３において還元剤の濃度を均一な状態とすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明にかかる排ガス浄化装置は、燃焼装置および還元装置の性能を確保しつつ、排ガス浄化装置の小型化を可能とするものであるので、各種内燃機関から発生する排ガスを浄化する排ガス浄化フィルタや、ディーゼルエンジンの排ガスを浄化する排ガス浄化装置等として有用である。
【符号の説明】
【００３６】
１    排ガス浄化装置
２    燃焼装置
３    還元装置
４    第一排気ガス管
５    第二排気ガス管
６    第三排気ガス管
７    噴射装置
８    排ガス浄化フィルタ
９    燃焼触媒
【図１】
2018087497.tif 000003
【図２】
2018087497.tif 000004
【図３】
2018087497.tif 000005