(57)【要約】【課題】パティキュレートとＮＯxの同時低減を実現した排気浄化装置に関し、運転条件にかかわらず常に高いＮＯx低減率を確保し得るようにする。【解決手段】排気管４の途中に酸素共存下でも選択的にＮＯxをアンモニアと反応させ得る性質を備えた選択還元型触媒５をＮＯx低減触媒として備え、その上流にパティキュレートフィルタ１３を備えた排気浄化装置に関し、前記パティキュレートフィルタ１３の前段に、適量の燃料を噴射して着火燃焼せしめるバーナ１４を設けると共に、前記パティキュレートフィルタ１３と前記選択還元型触媒５との間に、排気ガス３中の未燃ＨＣを酸化処理し且つ排気ガス３中のＮＯのＮＯ2への酸化反応を促す酸化触媒１５を介装する。【選択図】図１
2009091909.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気管の途中にＮＯx低減触媒を備え且つ該ＮＯx低減触媒の上流にパティキュレートフィルタを備えた排気浄化装置において、前記パティキュレートフィルタの前段に、適量の燃料を噴射して着火燃焼せしめるバーナを設けると共に、前記パティキュレートフィルタと前記ＮＯx低減触媒との間に、排気ガス中の未燃ＨＣを酸化処理し且つ排気ガス中のＮＯのＮＯ2への酸化反応を促す酸化触媒を介装したことを特徴とする排気浄化装置。
【請求項２】
ＮＯx低減触媒が選択還元型触媒又はＮＯx吸蔵還元触媒の何れかであることを特徴とする請求項１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、排気浄化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ディーゼルエンジンにおいては、排気ガスが流通する排気管の途中に、酸素共存下でも選択的にＮＯxを還元剤と反応させる性質を備えた選択還元型触媒を装備し、該選択還元型触媒の上流側に必要量の還元剤を添加して該還元剤を選択還元型触媒上で排気ガス中のＮＯx（窒素酸化物）と還元反応させ、これによりＮＯxの排出濃度を低減し得るようにしたものがある。
【０００３】
また、プラント等における工業的な排煙脱硝処理の分野では、還元剤にアンモニア（ＮＨ3）を用いてＮＯxを還元浄化する手法の有効性が既に広く知られているところであるが、自動車の場合には、アンモニアそのものを搭載して走行することに関し安全確保が困難であるため、近年においては、毒性のない尿素水を還元剤として使用することが研究されている。
【０００４】
即ち、尿素水を選択還元型触媒の上流側で排気ガス中に添加すれば、該排気ガス中で尿素水がアンモニアと炭酸ガスに熱分解され、選択還元型触媒上で排気ガス中のＮＯxがアンモニアにより良好に還元浄化されることになる（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
他方、ディーゼルエンジンの排気浄化を図る場合、排気ガス中のＮＯxを除去するだけでは十分ではなく、排気ガス中に含まれるパティキュレート（Particulate Matter：粒子状物質）についてもパティキュレートフィルタを通して捕集する必要があるが、この種のパティキュレートフィルタを採用する場合には、目詰まりにより排気抵抗が増加しないうちにパティキュレートを適宜に燃焼除去してパティキュレートフィルタの再生を図る必要がある。
【０００６】
このため、パティキュレートフィルタの前段に、フロースルー型の酸化触媒を付帯装備させ、パティキュレートの堆積量が増加してきた段階で前記酸化触媒より上流の排気ガス中に燃料を添加してパティキュレートフィルタを強制再生することが考えられている。
【０００７】
つまり、酸化触媒より上流の排気ガス中に燃料を添加すれば、その添加燃料（ＨＣ）が前段の酸化触媒を通過する間に酸化反応するので、その反応熱で昇温した排気ガスの流入により直後のパティキュレートフィルタの触媒床温度が上げられてパティキュレートが燃やし尽くされ、パティキュレートフィルタの再生化が図られることになる。
【０００８】
また、これらパティキュレートフィルタ及びその前段の酸化触媒を選択還元型触媒より上流側に配置した場合には、前記酸化触媒で添加燃料を酸化反応させて排気ガスの昇温を図ることで下流側の選択還元型触媒の触媒床温度を上げて触媒活性を高めることもできるので、従来より低い排気温度領域から選択還元型触媒を高い活性状態で機能させることが可能となる。
【特許文献１】特開２００４−２１８４７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、例えば冬季の朝の始動時等でエンジンが未だ冷機状態にある場合には、パティキュレートフィルタの前段の酸化触媒が冷えきっていて十分な触媒活性を発揮し得る活性下限温度までなかなか上昇してこないため、始動開始から暫くの間は燃料添加を実行することができず、下流側の選択還元型触媒の触媒床温度を上げて触媒活性を高めることもできないという不都合があり、始動時にＮＯxを浄化できない時間帯が生じる虞れがあった。
【００１０】
一方、将来的な排気ガスの浄化に関する規制は現状よりも更に厳しくなる傾向にあり、始動時にＮＯxを浄化できない時間帯が生じる虞れがあることを放置できない状況となってきており、エンジンの始動時から直ちに高いＮＯx低減率が得られるような排気浄化装置の開発が求められている。
【００１１】
本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、パティキュレートとＮＯxの同時低減を実現した排気浄化装置に関し、運転条件にかかわらず常に高いＮＯx低減率を確保し得るようにすることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、排気管の途中にＮＯx低減触媒を備え且つ該ＮＯx低減触媒の上流にパティキュレートフィルタを備えた排気浄化装置において、前記パティキュレートフィルタの前段に、適量の燃料を噴射して着火燃焼せしめるバーナを設けると共に、前記パティキュレートフィルタと前記ＮＯx低減触媒との間に、排気ガス中の未燃ＨＣを酸化処理し且つ排気ガス中のＮＯのＮＯ2への酸化反応を促す酸化触媒を介装したことを特徴とするものである。
【００１３】
而して、このようにすれば、パティキュレートフィルタにより排気ガス中のパティキュレートが捕集されると共に、その下流のＮＯx低減触媒で排気ガス中のＮＯxが還元反応や吸蔵反応により低減されることになるので、排気ガス中のパティキュレートとＮＯxの同時低減が図られる。
【００１４】
しかも、エンジンが未だ冷機状態にある始動時等のように、ＮＯx低減触媒が活性下限温度に達していない運転状態であっても、バーナによりＮＯx低減触媒の上流側に適量の燃料を噴射して着火燃焼させれば、この燃焼により高温化された排気ガスがＮＯx低減触媒に導入され、その触媒床温度が反応に必要な温度まで強制的に昇温される結果、現状の運転条件にかかわらずＮＯx低減触媒が活性状態となってＮＯxの良好な低減化が図られることになる。
【００１５】
この際、バーナで発生した未燃ＨＣがパティキュレートフィルタを通り抜けたとしても、その未燃ＨＣがＮＯx低減触媒に到る前に酸化触媒で酸化処理されるため、ＮＯx低減触媒が未燃ＨＣにより被毒したり、車外への排気に白煙が発生したりすることが未然に防止される。
【００１６】
また、排気ガス中のＮＯの一部が酸化触媒を通過する間に酸化して反応性の高いＮＯ2となり、この反応性の高いＮＯ2の比率が増えることにより、ＮＯx低減触媒でのＮＯxを低減する反応が促進されて良好なＮＯxの低減化が図られることになる。
【００１７】
更に、バーナを着火燃焼させることで直後のパティキュレートフィルタを短時間で効率良く昇温させることが可能であり、該パティキュレートフィルタの強制再生を必要なタイミングで現状の運転条件にかかわらず任意に実行し且つ従来より短い時間で強制再生を完了することが可能となる。
【００１８】
一方、本発明を具体的に実施するに際しては、ＮＯx低減触媒を選択還元型触媒又はＮＯx吸蔵還元触媒の何れかとすることが可能であり、ＮＯx低減触媒を選択還元型触媒とした場合には、排気ガス中のＮＯの一部が酸化触媒を通過する間に酸化して反応性の高いＮＯ2となり、この反応性の高いＮＯ2の比率が増えることで反応速度の早い還元反応が促されて良好なＮＯxの低減化が図られる。
【００１９】
また、ＮＯx低減触媒をＮＯx吸蔵還元触媒とした場合には、排気ガス中のＮＯの一部が酸化触媒を通過する間に酸化して反応性の高いＮＯ2となり、この反応性の高いＮＯ2の比率が増えることで反応速度の早い吸蔵反応が促されて良好なＮＯxの低減化が図られる。
【発明の効果】
【００２０】
上記した本発明の排気浄化装置によれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。
【００２１】
（Ｉ）ＮＯx低減触媒が活性下限温度に達していない運転状態であっても、バーナを着火燃焼させてＮＯx低減触媒の触媒床温度を反応に必要な温度まで強制的に昇温させることができるので、現状の運転条件にかかわらずＮＯx低減触媒を活性状態として常に高いＮＯx低減率を確保することができ、しかも、バーナで発生した未燃ＨＣをＮＯx低減触媒に到る前に酸化触媒で酸化処理することができるので、ＮＯx低減触媒の未燃ＨＣによる被毒や白煙の発生を未然に防止することができ、更には、排気ガス中のＮＯの一部を酸化触媒で酸化させて反応性の高いＮＯ2の比率を増やすことができるので、ＮＯx低減触媒でのＮＯxを低減する反応を促進することができてＮＯx低減率の向上を図ることもできる。
【００２２】
（ＩＩ）バーナを着火燃焼させることで直後のパティキュレートフィルタを短時間で効率良く昇温させることができるので、該パティキュレートフィルタの強制再生を必要なタイミングで現状の運転条件にかかわらず任意に実行することができ、しかも、従来より短い時間で強制再生を完了することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
【００２４】
図１は本発明を実施する形態の一例を示すもので、本形態例の排気浄化装置においては、ディーゼルエンジン１から排気マニホールド２を介して排出される排気ガス３が流通する排気管４の途中に、酸素共存下でも選択的にＮＯxをアンモニアと反応させ得る性質を備えた選択還元型触媒５（ＮＯx低減触媒）が装備されている。
【００２５】
この選択還元型触媒５の入側には噴射ノズル６が設置されており、該噴射ノズル６と所要場所に設けた尿素水タンク８との間が、尿素水噴射弁７を備えた尿素水供給ライン９により接続され、該尿素水供給ライン９の途中に装備した供給ポンプ１０の駆動により尿素水タンク８内の尿素水１１（還元剤）を尿素水噴射弁７を介し選択還元型触媒５の上流側に添加し得るようになっていて、これら尿素水噴射弁７、尿素水タンク８、尿素水供給ライン９、供給ポンプ１０により尿素水添加装置１２が構成されている。
【００２６】
そして、この尿素水添加装置１２による尿素水１１の添加位置（噴射ノズル６の開口位置）より上流の排気管４に、排気ガス３中からパティキュレートを捕集して除去するパティキュレートフィルタ１３が装備されていると共に、該パティキュレートフィルタ１３の前段には、適量の燃料を噴射して着火燃焼せしめるバーナ１４が装備されており、該バーナ１４は、図示しない適量の燃料を噴射する燃料噴射ノズルと、その噴射口から噴射された燃料に点火するための点火プラグとを備えて構成されるようになっている。
【００２７】
また、前記パティキュレートフィルタ１３と前記選択還元型触媒５との間における尿素水１１の添加位置（噴射ノズル６の開口位置）より上流には、排気ガス３中の未燃ＨＣを酸化処理し且つ排気ガス３中のＮＯのＮＯ2への酸化反応を促す酸化触媒１５が介装されている。
【００２８】
尚、ここに図示している例では、前記選択還元型触媒５の直後に、リークアンモニア対策として余剰のアンモニアを酸化処理するＮＨ3スリップ触媒１６が装備されている。
【００２９】
而して、このように排気浄化装置を構成すれば、パティキュレートフィルタ１３により排気ガス３中のパティキュレートが捕集されると共に、その下流で尿素水添加装置１２の噴射ノズル６から尿素水１１が排気ガス３中に添加されてアンモニアと炭酸ガスに分解され、選択還元型触媒５上で排気ガス３中のＮＯxがアンモニアにより良好に還元浄化されることになるので、排気ガス３中のパティキュレートとＮＯxの同時低減が図られる。
【００３０】
しかも、ディーゼルエンジン１が未だ冷機状態にある始動時等のように、選択還元型触媒５が活性下限温度に達していない運転状態であっても、バーナ１４により選択還元型触媒５の上流側に適量の燃料を噴射して着火燃焼させれば、この燃焼により高温化された排気ガス３が選択還元型触媒５に導入され、その触媒床温度が反応に必要な温度まで強制的に昇温される結果、現状の運転条件にかかわらず選択還元型触媒５が活性状態となってＮＯxの良好な低減化が図られることになる。
【００３１】
この際、バーナ１４で発生した未燃ＨＣがパティキュレートフィルタ１３を通り抜けたとしても、その未燃ＨＣが選択還元型触媒５に到る前に酸化触媒１５で酸化処理されるため、選択還元型触媒５が未燃ＨＣにより被毒したり、車外への排気に白煙が発生したりすることが未然に防止される。
【００３２】
また、排気ガス３中のＮＯの一部が酸化触媒１５を通過する間に酸化して反応性の高いＮＯ2となり、この反応性の高いＮＯ2の比率が増えることにより、選択還元型触媒５での反応速度の速い還元反応が促進されて良好なＮＯxの低減化が図られることになる。
【００３３】
即ち、選択還元型触媒５に添加された尿素水は、その添加後に排気ガス３中で熱を受けて次式
［化１］
（ＮＨ2）2ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→２ＮＨ3＋ＣＯ2
によりアンモニアと炭酸ガスに分解されるので、このアンモニアによりＮＯxが還元浄化されることになるが、排気ガス３中のＮＯxの大半を占めるＮＯに対し酸化触媒１５によりＮＯ2が増やされていくと、最も反応速度の早い次式
［化２］
ＮＯ＋ＮＯ2＋２ＮＨ3→２Ｎ2＋３Ｈ2Ｏ
による還元反応が促されて良好なＮＯxの低減化が図られることになる。
【００３４】
尚、この還元反応を促すにあたっては、排気ガス３中のＮＯ／ＮＯ2比が約１〜１．３に近いことが重要となるので、ディーゼルエンジン１の広範な運転領域で排気ガス３中のＮＯ／ＮＯ2比が約１〜１．３となるように、酸化触媒１５の原料中に含まれる白金等の貴金属量を適切に調整しておくことが好ましい。
【００３５】
また、ここで付言しておくと、仮に酸化触媒１５によるＮＯからＮＯ2への酸化反応を促す作用がなかったならば、排気ガス３中のＮＯxの大半がＮＯで占められることになるため、次式
［化３］
６ＮＯ＋４ＮＨ3→５Ｎ2＋６Ｈ2Ｏ
或いは、次式
［化４］
４ＮＯ＋４ＮＨ3＋Ｏ2→４Ｎ2＋６Ｈ2Ｏ
により排気ガス中のＮＯxが還元浄化されることになるが、排気ガス３中のＮＯ／ＮＯ2比が約１〜１．３である場合と比較して、その反応速度が遅くなることは言うまでもない。
【００３６】
従って、上記形態例によれば、選択還元型触媒５が活性下限温度に達していない運転状態であっても、バーナ１４を着火燃焼させて選択還元型触媒５の触媒床温度を反応に必要な温度まで強制的に昇温させることができるので、現状の運転条件にかかわらず選択還元型触媒５を活性状態として常に高いＮＯx低減率を確保することができ、しかも、バーナ１４で発生した未燃ＨＣを選択還元型触媒５に到る前に酸化触媒１５で酸化処理することができるので、選択還元型触媒５の未燃ＨＣによる被毒や白煙の発生を未然に防止することができ、更には、排気ガス３中のＮＯの一部を酸化触媒１５で酸化させて反応性の高いＮＯ2の比率を増やすことができるので、選択還元型触媒５での反応速度の速い還元反応を促進することができてＮＯx低減率の向上を図ることもできる。
【００３７】
また、バーナ１４を着火燃焼させることで直後のパティキュレートフィルタ１３を短時間で効率良く昇温させることができるので、該パティキュレートフィルタ１３の強制再生を必要なタイミングで現状の運転条件にかかわらず任意に実行することができ、しかも、従来より短い時間で強制再生を完了することができる。
【００３８】
以上に述べた形態例においては、ＮＯx低減触媒として酸素共存下でも選択的にＮＯxをアンモニアと反応させ得る性質を備えた選択還元型触媒５を採用し、該選択還元型触媒５の上流側に還元剤として尿素水１１を添加するようにしているが、酸素共存下でも選択的にＮＯxをＨＣと反応させ得る性質を備えた選択還元型触媒をＮＯx低減触媒として採用し、その選択還元型触媒の上流側に還元剤として軽油等の燃料（ＨＣ）を添加するようにしても良い。
【００３９】
また、排気空燃比がリーンの時に排気ガス３中のＮＯxを酸化して硝酸塩の状態で一時的に吸蔵し且つ排気ガス３中のＯ2濃度が低下した時に未燃ＨＣやＣＯ等の介在によりＮＯxを分解放出して還元浄化する性質を備えたＮＯx吸蔵還元触媒をＮＯx低減触媒として採用しても良く、そのようにした場合には、排気ガス３中のＮＯの一部が酸化触媒１５を通過する間に酸化して反応性の高いＮＯ2となり、この反応性の高いＮＯ2の比率が増えることで反応速度の早い吸蔵反応が促されて良好なＮＯxの低減化が図られることになる。
【００４０】
尚、本発明の排気浄化装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００４２】
３  排気ガス
４  排気管
５  選択還元型触媒（ＮＯx低減触媒）
１３  パティキュレートフィルタ
１４  バーナ
１５  酸化触媒
【図１】
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