JP2012159054A

JP2012159054A - 内燃機関の排気ガス浄化システム

Info

Publication number: JP2012159054A
Application number: JP2011020531A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Osumi; 和生大角
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2011-02-02
Filing date: 2011-02-02
Publication date: 2012-08-23

Abstract

【課題】排気ガスの熱を有効利用できて、排気ガスの温度上昇のために酸化触媒に供給する軽油等の炭化水素の量を減少できると共に小型化できて、更に、ＥＧＲ通路に設けたＥＧＲクーラやＥＧＲバルブのＳＯＦ成分による詰まり等を抑制できる内燃機関の排気ガス浄化システムを提供する。
【解決手段】内燃機関１０の排気ガスＧ中の有害物質を浄化する内燃機関の排気ガス浄化システム１、１Ａにおいて、第１酸化触媒１８を排気ポートから排気マニホールド１１ａの間に気筒毎に配置すると共に、前記排気マニホールド１１ａ側から順に、第２酸化触媒１９、尿素噴射ノズル２０、ディーゼルパティキュレートフィルタ２１ａ、選択還元型触媒２１ｂを排気通路１３に配置して構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディーゼル車等の内燃機関の排気ガス中の粒子状物質、窒素酸化物、一酸化炭素、炭化水素等の有害物質を浄化する内燃機関の排気ガス浄化システムに関する。

ディーゼル車等のエンジン（内燃機関）の排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）等の有害物質を浄化する目的で、エンジンのシリンダ内における燃焼状態の改良による有害物質の発生の低減と、エンジンの排気通路に設けられる酸化触媒装置（ＤＯＣ）、ディーゼルパティキュレートフィルタ装置（ＤＰＦ）、尿素選択還元型触媒（尿素ＳＣＲ触媒）装置等の複数の排気ガス浄化装置の搭載で構成された排気ガス浄化システムによる有害物質の除去が進んでいる。

その一つに、排気通路の上流側から順に、酸化触媒、尿素噴射装置、ディーゼルパティキュレートフィルタ装置、選択還元型ＮＯｘ触媒コンバータ、酸化触媒を配置すると共に、ディーゼルパティキュレートフィルタ装置に酸化機能を有する触媒を担持させずに、尿素分解触媒を担持させた排気ガス浄化システムが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

しかしながら、エンジンの燃焼状態の改良の結果、排気ガス温度が従来に比べて３０℃〜５０℃あるいはそれ以上の温度幅で低下してきていることと、排気ガス浄化装置が複数化して大型になってきていることから、排気ガス浄化システムにおける排気ガス浄化装置全体の熱容量が増大して触媒の活性温度を確保することが困難となってきている。また、大型化することで、排気ガス浄化装置がエンジンの排気口より遠方に配置されるので、ますます触媒を活性温度以上に維持することが難しくなる傾向にある。そのため、各排気ガス浄化装置における有害物質の低減効果が小さくなっているという問題がある。

加えて、尿素選択還元型触媒（尿素ＳＣＲ）装置においては、尿素水を均一に拡散し、また、尿素がアンモニアに分解されるのを促進する必要があるために、尿素水噴射ノズルから、尿素選択還元型触媒装置までの距離を短くすることが困難であり、このことも排気ガス浄化システムが大型化する大きな要因となっている。

特開２０１０−２４２５１５号公報

本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、排気ガスの熱を有効利用できて、排気ガスの温度上昇のために酸化触媒に供給する軽油等の炭化水素の量を減少できると共に小型化できて、更に、ＥＧＲ通路に設けたＥＧＲクーラやＥＧＲバルブのＳＯＦ成分による詰まり等を抑制できる内燃機関の排気ガス浄化システムを提供することにある。

上記のような目的を達成するための本発明の内燃機関の排気浄化システムは、内燃機関の排気ガス中の有害物質を浄化する内燃機関の排気ガス浄化システムにおいて、第１酸化触媒を排気ポートから排気マニホールドの間に気筒毎に配置すると共に、前記排気マニホールド側から順に、第２酸化触媒、尿素噴射ノズル、ディーゼルパティキュレートフィルタ、選択還元型触媒を排気通路に配置して構成される。

この構成によれば、第１酸化触媒を排気ポートから排気マニホールドの間に気筒毎に配置しているので、排気ガスが冷却されて温度が下がる前の高温の排気ガスを使用して第１酸化触媒を触媒活性温度以上に維持することが容易となり、この第１酸化触媒で効率良く、排気ガス中の一酸化炭素や炭化水素を酸化することができる。これらの酸化により、第２酸化触媒に流入する排気ガスの温度を高くすることができるので、第２酸化触媒も触媒活性温度以上に維持することが容易となる。

従って、排気ガスの熱を有効利用できる排気ガス浄化システムとなり、排気ガスの温度上昇のために酸化触媒に供給する軽油等の炭化水素の量を減少でき、燃費を低減できる。また、この第１酸化触媒の配置により、排気ガス浄化システム全体を小型化できる。

更に、ＥＧＲで使用する排気ガスは、通常、排気マニホールド、又は、排気通路から吸気通路側に供給されるので、第１酸化触媒を通過して排気ガス中のＳＯＦ（Soluble organic Fraction：未燃焼物質、液体状の炭化水素微粒子）成分が低減した排気ガスをＥＧＲ通路に流すことができるようになる。そのため、ＥＧＲ通路に設けたＥＧＲクーラやＥＧＲバルブのＳＯＦ成分による詰まり等の悪影響を抑制できる。

また、上記の内燃機関の排気ガス浄化システムにおいて、前記尿素供噴射ノズルと前記ディーゼルパティキュレートフィルタとの間にターボチャージャのタービンを配置して構成する。

この構成によれば、尿素噴射ノズルから噴射した尿素がタービン内で撹拌されて拡散するため、尿素の熱分解や加水分解が促進され、また、タービン通過後では、噴霧された尿素が排気管中へ均一に拡散される。従って、尿素噴射ノズルから選択還元型触媒までの距離を短縮でき、排気ガス浄化システムを小型化できる。また、尿素の熱分解や加水分解の促進により尿素からアンモニアを高い変換率で生成できるため、下流側の選択還元型触媒の浄化性能を向上できる。

その上、高ＥＧＲ燃焼で生じる硫黄酸化物が、尿素噴射ノズルから噴射された尿素と反応して中和されるので、尿素噴射ノズルより下流側の排気管やタービンにおける硫黄酸化物による腐食等を抑制できる。

また、上記の内燃機関の排気ガス浄化システムにおいて、前記第１酸化触媒に酸素吸蔵能力を有する酸化物と酸化物半導体が混在した触媒を担持させると共に、前記第２酸化触媒に貴金属触媒又は炭化水素吸着材と貴金属触媒が混在した触媒を担持させて構成する。この構成によれば、第１酸化触媒は一酸化炭素の浄化に優れた排気ガス浄化装置となり、また、第２酸化触媒は、炭化水素の浄化及び低温活性に優れた排気ガス浄化装置となる。

本発明に係る内燃機関の排気ガス浄化システムによれば、第１酸化触媒を排気ポートと排気マニホールドの間に設けているため、排気ガスの熱を有効利用できて、排気ガスの温度上昇のために酸化触媒に供給する軽油等の炭化水素の量を減少でき、燃費を低減できる。また、排気ガス浄化システムを小型化できる。

更に、第１酸化触媒を通過してＳＯＦ成分が低減した排気ガスをＥＧＲ通路に流すことができるようになるので、ＥＧＲ通路に設けたＥＧＲクーラやＥＧＲバルブのＳＯＦ成分による詰まり等を抑制できる。

本発明の第１の実施の形態の内燃機関の排気ガスシステムの構成を示す図である。本発明の第２の実施の形態の内燃機関の排気ガスシステムの構成を示す図である。実施例１〜３のアンモニア変換率を示す図である。実施例１〜３のＪＥ０５モードでのＮＯｘ平均浄化率を示す図である。

以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関の排気ガス浄化システムについて、図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、第１の実施の形態の内燃機関の排気ガス浄化システム１は、エンジン（内燃機関）１０の排気ガスＧ中の粒子状物質（ＰＭ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）等の有害物質を浄化するためのシステムである。

この内燃機関の排気ガス浄化システム１が設けられるエンジン１０は、エンジン本体１１に設けられた吸気マニホールド１１ａに接続する吸気通路１２と、エンジン本体１１に設けられた排気マニホールド１１ｂに接続する排気通路１３とを有して構成される。

吸気通路１２には、上流側から順に、低圧段ターボチャージャ１４の低圧段コンプレッサ１４ａ、高圧段ターボチャージャ１５の高圧段コンプレッサ１５ａが配置されている。また、第１酸化触媒１８が排気ポートから排気マニホールド１１ｂの間に気筒毎に配置される。

それと共に、排気マニホールド１１ｂ側から順に、第２酸化触媒１９、高圧段ターボチャージャ１５の高圧段タービン１５ｂ、尿素噴射ノズル２０、低圧段ターボチャージャ１４の低圧段タービン１４ｂ、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）２１ａ、選択還元型触媒（ＳＣＲ）２１ｂ、第３酸化触媒２１ｃを配置して構成される。

図１の構成では、このディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）２１ａ、選択還元型触媒（ＳＣＲ）２１ｂ、第３酸化触媒２１ｃは同じ容器に配置された排気ガス浄化ユニット２１として構成されているが、それぞれ別の容器に配置された別体構造であってもよい。

また、ＥＧＲ通路１６を、第１酸化触媒１８より下流側となる排気マニホールド１１ｂと高圧段コンプレッサ１５ａの下流側の吸気通路１２を接続して設け、第１酸化触媒１８を通過した排気ガスＧｅを再循環に用いるように構成される。このＥＧＲ通路１６にＥＧＲバルブ１７が配置される。これにより、高圧の排気ガスを再循環するＨＰ−ＥＧＲシステムが構成される。

この内燃機関の排気ガス浄化システム１では、第１酸化触媒１８と第２酸化触媒１９とで上流側の酸化触媒を構成するが、第１酸化触媒１８は、一酸化炭素の浄化に優れている、酸素吸蔵能力（ＯＳＣ）を有する酸化物と酸化物半導体が混在した触媒を担持させて構成する。

この酸素吸蔵能力を有する酸化物としてはセリウム（Ｃｅ）を含む酸化物等があり、酸化物半導体としては酸化チタン（ＴｉＯ₂）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）等がある。また、好ましくは、この酸素吸蔵能力を有する酸化物に貴金属を担持させる。また、第２酸化触媒１９は、炭化水素の浄化に優れている、金属触媒又は炭化水素吸着材と貴金属触媒が混在した触媒を担持させて構成する。この貴金属触媒としては、白金（Ｐｔ) 等がある。

これにより、第１酸化触媒は一酸化炭素の浄化に優れた排気ガス浄化装置となり、また、第２酸化触媒は、炭化水素の浄化及び低温活性に優れた排気ガス浄化装置となるので、低温活性に優れている触媒構成が得られると共に、酸化触媒の構成を小型化できる。

尿素噴射ノズル２０は第２酸化触媒１９とタービン（図１では、低圧段タービン１４ｂ）の間に設置されるので、噴射された尿素は低圧段タービン１４ｂ内で撹拌されて拡散するために尿素の加水分解や熱分解が促進される。このため、尿素噴射ノズル２０から選択還元型触媒２１ｂまでの距離を短くできる。更に、噴射された尿素が低圧段タービン１４ｂを通過した後では排気管内へ拡散して均一化された状態となる。この尿素噴射ノズル２０から尿素を噴射すると、高ＥＧＲ燃焼で発生する硫黄酸化物（ＳＯｘ）が尿素と反応して中和される。つまり、「２ＮＨ₃＋ＳＯ₃＋Ｈ₂Ｏ→（ＮＨ₄）₂ＳＯ₄」の反応をして中和物である硫酸アンモニウム（（ＮＨ₄）₂ＳＯ₄）が生成する。従って、高ＥＧＲ燃焼で生じる硫黄酸化物に起因する尿素噴射ノズルより下流側の排気管やタービンにおける腐食等を抑制できる。なお、図１の構成では、低圧段ターボチャージャ１４と高圧段ターボチャージャ１５の２つのターボチャージャを備えているが、低圧段ターボチャージャ１４に相当するターボチャージャが一つの構成でもあってもよい。

ディーゼルパティキュレートフィルタ２１ａは、流側の尿素噴射ノズル２０で噴霧する尿素が酸化されるのを防止するために、貴金属触媒を塗布しない構成とし、更に、ろ過壁表面に加水分解触媒層を形成する。つまり、ナノオーダーの粒子で形成した多孔層を尿素の加水分解に利用する。この加水分解触媒としては、二酸化チタン（ＴｉＯ₂）、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂₎、塩基性の大きい希土類酸化物等を用いることができる。

また、ディーゼルパティキュレートフィルタ２１ａは、気孔率や気孔径、壁厚を適正化することで、浄化特性が高くかつ圧力損失の少ない構造のもの用いることが好ましい。また、このディーゼルパティキュレートフィルタ２１ａは、ろ過表面にナノオーダーの粒子で形成した多孔層を形成して、ＰＭ捕集時の圧損の低減や捕集のばらつきの低減などの効果を奏することができるようにすることが好ましい。

このディーゼルパティキュレートフィルタ２１ａの上流側で排気ガス中に噴霧された尿素（（ＮＨ₂）₂ＣＯ）は、主に、尿素の熱分解と、この熱分解で生成したイソシアン酸（ＨＣＮＯ）の加水分解によりアンモニア（ＮＨ₃）に変換される。熱分解に比べて加水分解は反応速度が遅いので、レイアウトに制限がある車載用の選択還元型触媒を用いた排気ガス浄化システムにおいては、尿素の拡散を均一化するだけでは尿素からアンモニアを生成する変換率は十分ではない。

しかし、ディーゼルパティキュレートフィルタ２１ａに設けた加水分解層により、尿素の熱分解「（ＮＨ₂）₂ＣＯ→（ＮＨ₃）＋ＨＮＣＯ」で生じたイソシアン酸が加水分解「ＨＣＮＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＮＨ₃＋ＣＯ₂」でアンモニアを生成することができる。

更に、このディーゼルパティキュレートフィルタ２１ａで、粒子状物質（ＰＭ）を燃焼させた後に生じる灰分成分（炭酸カルシウム：ＣａＣＯ₃）と硫酸アンモニウム（（ＮＨ₄）₂ＳＯ₄）とが反応して、「（ＮＨ₄）₂ＳＯ４＋ＣａＣＯ₃→（ＮＨ₄）₂ＣＯ₃＋ＣａＳＯ₄」の反応で、炭酸アンモニウム（（ＮＨ₄）₂ＣＯ₃）を生じる。この炭酸アンモニウムは、５８℃以上で「（ＮＨ₄）₂ＣＯ₃→２ＮＨ₃＋Ｈ₂Ｏ＋ＣＯ₂」の熱分解し、アンモニアを生成する。

従って、このディーゼルパティキュレートフィルタ２１ａにより、十分なアンモニア変換率を得ることができるようになり、変換されたアンモニアは、下流側の選択還元型触媒２１ｂで、ＮＯｘ浄化反応に使用される。

選択還元型触媒２１ｂは、触媒担体（モノリス触媒）等を用いて形成されるが、比体積当りの触媒量を増加させて、容積を低減させた小型のものを使用することが好ましい。

第３酸化触媒２１ｃは、選択還元型触媒２１ｂで消費されなかったアンモニアを分解して、アンモニアが流出（スリップ）するのを防止するためのものであるが、排気ガス浄化システム１の用途に応じて省略してもよい。

次に第２の実施の形態の内燃機関の排気ガス浄化システムについて説明する。図２に示す第２の実施の形態の排気ガス浄化システム１Ａは、図１の第１の実施の形態の排気ガス浄化システム１と、尿素噴射ノズル２０と排気ガス浄化ユニット２１の位置が異なっている。

図１の排気ガス浄化システム１では、尿素噴射ノズル２０を低圧段タービン１４ｂよりも上流側に設けると共に、排気ガス浄化ユニット２１を低圧段タービン１４ｂの直後に配置して、排気ガス浄化ユニット２１をエンジン１０に近づけて配置されているのに対して、図２の排気ガス浄化システム１Ａでは、尿素噴射ノズル２０を低圧段タービン１４ｂよりも下流側に設けると共に、この尿素噴射ノズル２０から離れた位置に排気ガス浄化ユニット２１を設けて、排気ガス浄化ユニット２１がエンジン１０から遠方になるように配置されている。

上記の構成の内燃機関の排気ガス浄化システム１、１Ａによれば、尿素から生成したアンモニア（ＮＨ₃）で排気ガス中の硫黄酸化物（ＳＯｘ）と「２ＮＨ₃＋ＳＯ₃＋Ｈ₂Ｏ→（ＮＨ₄）₂ＳＯ₄」の反応を生じさせ、更に、下流側のディーゼルパティキュレートフィルタ２１ａで粒子状物質（ＰＭ）を燃焼させた後に生じる灰分成分（ＣａＣＯ₃）と硫酸アンモニウム（（ＮＨ₄）₂ＳＯ₄）で「（ＮＨ₄）₂ＳＯ４＋ＣａＣＯ₃→（ＮＨ₄）₂ＣＯ₃＋ＣａＳＯ₄」の反応を生じさせ、かつ、この生成した炭酸アンモニウム（（ＮＨ₄）₂ＣＯ₃）の熱分解「（ＮＨ₄）₂ＣＯ₃→２ＮＨ₃＋Ｈ₂Ｏ＋ＣＯ₂」で生じたアンモニア（ＮＨ₃）をディーゼルパティキュレートフィルタ２１ａの下流側の選択還元型触媒２１ｂで捕捉して、ＮＯｘ浄化反応に使用することができる。

従って、上記の構成の内燃機関の排気ガス浄化システム１、１Ａによれば、第１酸化触媒１８を排気ポートと排気マニホールド１１ａの間に設けているため、排気ガスＧの熱を有効利用できて、排気ガスＧの温度上昇のために酸化触媒に供給する軽油等の炭化水素量を減少でき、燃費を低減できる。また、排気ガス浄化システム１、１Ａを小型化できる。

更に、第１酸化触媒１８を通過してＳＯＦ成分が低減した排気ガスＧをＥＧＲ通路１６に流すことができるようになるので、ＥＧＲ通路１６に設けたＥＧＲクーラ（図示しない）やＥＧＲバルブ１７のＳＯＦ成分による詰まり等の悪影響を抑制できる。

次に、上記の内燃機関の排気ガス浄化システム１、１ＡによるＪＥ０５モードの試験結果について説明する。図１の第１の実施の形態の排気ガス浄化システム１の構成で、ディーゼルパティキュレートフィルタ２１ａに加水分解層を設けた構成を実施例１とし、加水分解層を設けない構成を実施例２とし、図２の第２の実施の形態の排気ガス浄化システム１Ａの構成で、ディーゼルパティキュレートフィルタ２１ａに加水分解層を設けた構成を実施例３とし、ＪＥ０５モード試験を行い、その結果を図３と図４に示す。

実施例１では、ＪＥ０５モード中平均入口温度は、第１酸化触媒１８の入口で２００℃、ディーゼルパティキュレートフィルタ２１ａの入口で１７５℃、選択還元型触媒２１ｂの入口で１７０℃となった。一方、実施例３では、ＪＥ０５モード中平均入口温度は、第１酸化触媒１８の入口で１５０℃、ディーゼルパティキュレートフィルタ２１ａの入口で１４０℃、選択還元型触媒２１ｂの入口で１２５℃となった。

また、図３は、実施例１〜３の選択還元型触媒２１ｂの入口におけるアンモニア変換率を示し、図４は、ＪＥ０５モードにおけるＮＯｘ平均浄化率を示す。実施例１は、図３に示すように、２００℃でも高いアンモニア変換率を示している。一方、実施例３では、１５０℃では第１酸化触媒１８の炭化水素（ＨＣ）浄化率は１０％以下（一酸化炭素（ＣＯ）浄化率も同じ）であった。また、１２５℃では選択還元型触媒２１ｂのＮＯｘ浄化率は５％以下であった。従って、平均浄化率は炭化水素、一酸化炭素、ＮＯｘとも５０％以下であった。また、実施例３では、尿素を噴射して均一拡散させるためには、尿素噴射ノズル２０の位置から選択還元型触媒２１ｂまで２５ｃｍ以上の距離が必要となり、これより距離を短くするためには、拡散板を設ける必要が生じた。

本発明の内燃機関の排気ガス浄化システムによれば、排気ガスの熱を有効利用できて、排気ガスの温度上昇のために酸化触媒に供給する軽油等の炭化水素の量を減少できると共に排気ガス浄化システムを小型化でき、更に、ＥＧＲ通路に設けたＥＧＲクーラやＥＧＲバルブのＳＯＦ成分による詰まり等を抑制できるので、自動車等に搭載した内燃機関のための排気ガス浄化システムとして利用できる。

１、１Ａ内燃機関の排気ガス浄化システム
１０エンジン（内燃機関）
１１ｂ排気マニホールド
１３排気通路
１４低圧段ターボチャージャ
１４ｂ低圧段タービン
１８第１酸化触媒
１９第２酸化触媒
２０尿素噴射ノズル
２１排気ガス浄化ユニット
２１ａディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）
２１ｂ選択還元型触媒（ＳＣＲ）
２１ｃ第３酸化触媒
Ａ吸気
Ｇ排気ガス
ＧｅＥＧＲガス

Claims

内燃機関の排気ガス中の有害物質を浄化する内燃機関の排気ガス浄化システムにおいて、第１酸化触媒を排気ポートから排気マニホールドの間に気筒毎に配置すると共に、前記排気マニホールド側から順に、第２酸化触媒、尿素噴射ノズル、ディーゼルパティキュレートフィルタ、選択還元型触媒を排気通路に配置したことを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化システム。
前記尿素噴射ノズルと前記ディーゼルパティキュレートフィルタとの間にターボチャージャのタービンを配置したことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気ガス浄化システム。
前記第１酸化触媒に酸素吸蔵能力を有する酸化物と酸化物半導体が混在した触媒を担持させると共に、前記第２酸化触媒に貴金属触媒又は炭化水素吸着材と貴金属触媒が混在した触媒を担持させたことを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の排気ガス浄化システム。