酸化触媒及びこれを用いたエンジンの排ガス浄化装置
【課題】酸化触媒の車両等への搭載性を向上するとともに、エンジンの排ガス温度の変動に対し、酸化触媒の活性時間を長く維持する。
【解決手段】酸化触媒１９は、両端が開放されかつ排ガスの流通方向に延びる複数のセル１９ｂが形成された円筒状の担体１９ａと、この担体１９ａに担持された活性物質とを有する。酸化触媒１９の長さをＬとし直径をＤとするとき、Ｌ／Ｄが０．５〜４の範囲に設定される。また酸化触媒１９のセル１９ｂの密度は６００〜３９００個／ｃｍ2の範囲に設定され、複数のセル１９ｂを区画する隔壁１９ｃの厚さは２０〜３２０μｍの範囲に設定される。更にエンジンの排気量を１００％とするとき酸化触媒１９の体積は２０〜１５０％に設定される。
【解決手段】酸化触媒１９は、両端が開放されかつ排ガスの流通方向に延びる複数のセル１９ｂが形成された円筒状の担体１９ａと、この担体１９ａに担持された活性物質とを有する。酸化触媒１９の長さをＬとし直径をＤとするとき、Ｌ／Ｄが０．５〜４の範囲に設定される。また酸化触媒１９のセル１９ｂの密度は６００〜３９００個／ｃｍ2の範囲に設定され、複数のセル１９ｂを区画する隔壁１９ｃの厚さは２０〜３２０μｍの範囲に設定される。更にエンジンの排気量を１００％とするとき酸化触媒１９の体積は２０〜１５０％に設定される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排ガス中のＨＣ等を酸化しＮＯをＮＯ2に転化する酸化触媒と、この酸化触媒を用いたエンジンの排ガスを浄化する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ディーゼルエンジンの排気通路からＥＧＲパイプを通って吸気通路にＥＧＲガスが還流され、ＥＧＲパイプを流れるＥＧＲガスの流量がＥＧＲ弁により調整され、更にＥＧＲパイプを流れるＥＧＲガスがＥＧＲクーラを流通するエンジン冷却水により冷却されるディーゼルエンジンの排ガス浄化システムが開示されている（例えば、特許文献１参照。）。この排ガス浄化システムでは、排気通路に選択還元型触媒が設けられ、液体供給手段が選択還元型触媒より排ガス上流側の排気通路に挿入された液体噴射ノズルから尿素系液体が噴射される。上記選択還元型触媒より排ガス下流側の排気通路にアンモニアスリップ防止触媒が設けられ、エンジンの運転状況を検出する運転状況検出手段の検出出力に基づいてコントローラがＥＧＲ弁及び液体供給手段を制御する。また選択還元型触媒及びアンモニアスリップ防止触媒は排気管の直径より大径の筒状のコンバータに収容され、酸化触媒は排気管の直径より大径の筒状のハウジングに収容される。更に酸化触媒より排ガス下流側のハウジングには、エンジンの排ガスに含まれるパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタが収容される。
【０００３】
このように構成されたディーゼルエンジンの排ガス浄化システムでは、エンジンが低負荷であるとき、エンジンの排ガスの一部のＥＧＲガスがＥＧＲパイプ及びＥＧＲクーラを通って吸気通路に還流されるので、エンジンにおける燃料の燃焼温度が低下し、ＮＯｘの発生を抑制できるとともに、排ガス温度が比較的低いので、ＥＧＲガスがＥＧＲクーラを流通するエンジン冷却水を殆ど昇温させない。一方、エンジンが中負荷から高負荷であるとき、液体噴射ノズルから噴射された尿素系液体が速やかに加水分解してアンモニアに変換され、このアンモニアとエンジンの排ガスとが混合されて選択還元型触媒に導入され、排ガス中のＮＯｘが選択還元型触媒にてアンモニアと反応してＮ2に還元される。このときＥＧＲガスが吸気通路に還流されず、ＥＧＲクーラを流通するエンジン冷却水がＥＧＲガスにより加熱されないので、エンジンを速やかに冷却できる。なお、選択還元型触媒を通過した余剰のアンモニアはアンモニアスリップ防止触媒にて酸化されてＮ2及び水が生成される。この結果、エンジンの全ての負荷領域、即ち排ガス温度が低温域から高温域までの広い温度範囲にわたって、排ガス中のＮＯｘを除去することができるので、大気に排出される排ガス中のＮＯｘを効率良く低減できるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２７０５６５号公報（請求項１、段落［０００７］、段落［００２３］）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記従来の特許文献１に示された排ガス浄化システムでは、酸化触媒の温度が排ガス温度に左右されるため、酸化触媒として温まり易くかつ冷え難いものが望ましいけれども、そのような触媒は現在のところ存在しない。例えば、酸化触媒として、白金等の活性物質を担持したメタル担体を用いると、排ガス温度の上昇時には触媒温度が上がり易くなるけれども、排ガス温度の下降時には触媒温度が急速に低下してしまい、エンジンの排ガス温度の変動に対し、酸化触媒の活性時間を長く維持できないという不具合があった。また、上記従来の特許文献１に示された排ガス浄化システムでは、排気管に排ガス上流側から順に酸化触媒、パティキュレートフィルタ、選択還元型触媒及びアンモニアスリップ防止触媒が設けられ、比較的大型のシステムであるため、小型車にはこのシステムを搭載することが困難となる問題点もあった。更に、上記従来の特許文献１に示された排ガス浄化システムでは、大径の酸化触媒及びパティキュレートフィルタを通過した排ガスが小径の排気管に流入し、この小径の排気管内で尿素系液体が排ガスに添加されるため、排ガスの圧力損失が大きくなり、上記尿素系液体が添加された排ガスが再び大径の選択還元型触媒に流入するため、排ガスの熱損失が大きくなってしまう問題点もあった。
【０００６】
本発明の目的は、酸化触媒の車両等への搭載性を向上できるとともに、エンジンの排ガス温度の変動に対し、酸化触媒の活性時間を長く維持できる、酸化触媒及びこれを用いたエンジンの排ガス浄化装置を提供することにある。本発明の別の目的は、排ガスの圧力損失及び熱損失を小さくすることができるとともに、尿素系液体の排ガスへの分散性を向上できる、エンジンの排ガス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】
【０００７】
本発明の第１の観点は、図１及び図２に示すように、両端が開放されかつ排ガスの流通方向に延びる複数のセル１９ｂが形成された円筒状の担体１９ａと、この担体１９ａに担持された活性物質とを有する酸化触媒１９において、長さをＬとし直径をＤとするとき、Ｌ／Ｄが０．５〜４の範囲に設定され、セル１９ｂの密度が６００〜３９００個／ｃｍ2の範囲に設定され、複数のセル１９ｂを区画する隔壁１９ｃの厚さが２０〜３２０μｍの範囲に設定され、エンジンの排気量を１００％とするとき体積が２０〜１５０％に設定されたことを特徴とする酸化触媒である。
【０００８】
本発明の第２の観点は、第１の観点に基づく発明であって、更に図１及び図２に示すように、担体１９ａがコージェライトにより形成されたハニカム担体であるか或いはステンレス鋼により形成されたメタル担体であることを特徴とする。
【０００９】
本発明の第３の観点は、図１に示すように、エンジン１１の排気管１３ｂに設けられた第１の観点又は第２の観点の酸化触媒１９と、この酸化触媒１９より排ガス下流側の排気管１３ｂに設けられた選択還元型触媒付フィルタ１７又は選択還元型触媒と、酸化触媒１９と選択還元型触媒付フィルタ１７又は選択還元型触媒との間の排気管１３ｂに挿入された液体噴射ノズル２３ａを有しこの液体噴射ノズル２３ａから尿素系液体２３ｂを噴射する液体供給手段２３とを備えたエンジンの排ガス浄化装置である。
【００１０】
本発明の第４の観点は、第３の観点に基づく発明であって、更に図１に示すように、液体噴射ノズル２３ａを挿入した部分の排気管１３ｂの内径が酸化触媒１９を収容したハウジング２１の内径と略同一になるように拡大されたことを特徴とする。
【００１１】
本発明の第５の観点は、第３の観点に基づく発明であって、更に図１に示すように、選択還元型触媒付フィルタ１７又は選択還元型触媒より排ガス下流側にアンモニアスリップ防止触媒１８が設けられたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の第１の観点の酸化触媒では、酸化触媒において、Ｌ／Ｄを０．５〜４の範囲に設定し、セル密度を６００〜３９００個／ｃｍ2の範囲に設定し、隔壁の厚さを２０〜３２０μｍの範囲に設定し、体積をエンジン排気量の２０〜１５０％に設定したので、酸化触媒の体積を従来と同等に維持しつつ酸化触媒を細長くすることができる。この結果、酸化触媒の車両等への搭載性を大幅に向上できるとともに、エンジンの排ガス温度の変動に対し、酸化触媒の活性時間を長く維持できる。
【００１３】
本発明の第２の観点の酸化触媒では、比較的温まり難く冷め難いコージェライト製のハニカム担体を用いた酸化触媒であっても、或いは比較的温まり易く冷め易いステンレス鋼製のメタル担体を用いた酸化触媒であっても、エンジンの排ガス温度の変動に対し、酸化触媒の活性時間を長く維持できる。
【００１４】
本発明の第３の観点の排ガス浄化装置では、酸化触媒の体積を従来と同等に維持しつつ酸化触媒を細長くすることができるので、酸化触媒の車両等への搭載性を大幅に向上できるとともに、エンジンの排ガス温度の変動に対し、酸化触媒の活性時間を長く維持できる。
【００１５】
本発明の第４の観点の排ガス浄化装置では、酸化触媒を収容するハウジングを細くし、液体噴射ノズルを挿入した部分の排気管の内径をハウジングの内径と略同一になるように拡大したので、排ガスの圧力損失を小さくすることができる。また液体噴射ノズルを挿入した部分の排気管の内径を拡大して、この排気管の内径と選択還元型触媒付フィルタ又は選択還元型触媒の外径との差を小さくしたので、排ガスの熱損失を小さくすることができるとともに、尿素系液体の排ガスへの分散性を向上できる。
【００１６】
本発明の第５の観点の排ガス浄化装置では、選択還元型触媒付フィルタ又は選択還元型触媒を通過した余剰のアンモニアがアンモニアスリップ防止触媒にて酸化されるので、アンモニアが大気中に排出されることはない。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明実施形態及び実施例２のエンジンの排ガス浄化装置の構成図である。
【図２】本発明実施形態及び実施例１の酸化触媒の斜視図である。
【図３】従来例及び比較例１の酸化触媒の斜視図である。
【図４】排ガス温度の昇降時における本実施形態及び従来例の酸化触媒の活性温度の確保時間の比較を示す図である。
【図５】本実施形態及び従来例の酸化触媒のＬ／Ｄに対する活性温度確保時間の変化を示す図である。
【図６】エンジンを冷機状態から任意の過渡運転を行った場合における実施例１及び比較例１の酸化触媒の温度の経時変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
次に本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。図１に示すように、ディーゼルエンジン１１の吸気ポートには吸気マニホルド１２ａを介して吸気管１２ｂが接続され、排気ポートには排気マニホルド１３ａを介して排気管１３ｂが接続される。吸気管１２ｂには、ターボ過給機１４のコンプレッサケース１４ａと、ターボ過給機１４により圧縮された吸気を冷却するインタクーラ１５とがそれぞれ設けられ、排気マニホルド１３ａに近い排気管１３ｂにはターボ過給機１４のタービンケース１４ｂが設けられる。図示しないがコンプレッサケース１４ａ内にはコンプレッサホイールが回転可能に設けられ、タービンケース１４ｂにはタービンホイールが回転可能に設けられ、これらのホイールはシャフトにより連結される。エンジン１１から排出される排ガスのエネルギによりタービンホイール及びシャフトを介してコンプレッサホイールが回転し、このコンプレッサホイールの回転により吸気管１２ｂ内の吸入空気が圧縮されるように構成される。
【００１９】
上記吸気マニホルド１２ａと吸気管１２ｂとにより吸気通路１２が構成され、上記排気マニホルド１３ａと排気管１３ｂにより排気通路１３が構成される。また排気マニホルド１３ａと吸気管１２ｂとはエンジン１１をバイパスするようにＥＧＲパイプ１６にて連通接続され、このＥＧＲパイプ１６には排気マニホルド１３ａから吸気管１２ｂに向って排ガスの一部であるＥＧＲガスが還流されるように構成される。更にＥＧＲパイプ１６には、このＥＧＲパイプを流れるＥＧＲガスの流量を調整するＥＧＲ弁１６ａと、ＥＧＲパイプ１６を流れるＥＧＲガスをエンジン冷却水により冷却するＥＧＲクーラ１６ｂとが設けられる。
【００２０】
一方、タービンケース１４ｂより排ガス下流側の排気管１３ｂには選択還元型触媒付フィルタ１７が設けられる。選択還元型触媒付フィルタ１７より排ガス下流側の排気管１３ｂにはアンモニアスリップ防止触媒１８が設けられ、選択還元型触媒付フィルタ１７より排ガス上流側であってタービンケース１４ｂより排ガス下流側の排気管１３ｂには酸化触媒１９が設けられる。選択還元型触媒付フィルタ１７及びアンモニアスリップ防止触媒１８は排気管１３ｂの直径より大径の筒状のコンバータ２０に収容され、酸化触媒１９は排気管１３ｂの直径より大径でありかつコンバータ２０より小径である筒状のハウジング２１に収容される。
【００２１】
選択還元型触媒付フィルタ１７は選択還元型触媒を担持したパティキュレートフィルタからなる。パティキュレートフィルタは、図示しないが、排ガスの通過可能な多孔質の隔壁で区画されかつ排ガスの流通方向に延びる複数のセル（貫通孔）が形成されたコージェライト製の円筒状の担体と、複数のセル（貫通孔）の相隣接する入口部と出口部を交互に実質的に封止する封止部材とを有する。また選択還元型触媒は、図示しないがパティキュレートフィルタの隔壁にコーティング（担持）された銅イオン交換ゼオライト（Ｃｕ−ＺＳＭ−５）等の触媒である。この銅イオン交換ゼオライト触媒はＮａ型のＺＳＭ−５ゼオライトのＮａイオンをＣｕイオンとイオン交換した物質である。なお、銅イオン交換ゼオライトを用いた触媒ではなく、鉄イオン交換ゼオライト、ゼオライト、酸化チタン、酸化バナジウム、酸化セリウム、酸化ジルコニウム又は酸化タングステン等を用いた触媒であってもよい。またアンモニアスリップ防止触媒１８は、図示しないが両端が開放されかつ排ガスの流通方向に延びる複数のセル（貫通孔）が形成されたコージェライト製の円筒状のハニカム担体に白金やパラジウム等の活性物質をコーティング（担持）したり、或いは両端が開放されかつ排ガスの流通方向に延びる複数のセル（貫通孔）が形成されたステンレス鋼製の円筒状のメタル担体に白金やパラジウム等の活性物質をコーティング（担持）することにより形成される。
【００２２】
酸化触媒１９は、図２に詳しく示すように、両端が開放されかつ排ガスの流通方向に延びる複数のセル１９ｂ（貫通孔）が形成された円筒状の担体１９ａと、この担体１９ａに担持された活性物質とを有する。酸化触媒１９の担体１９ａは、コージェライト製のハニカム担体であり、排ガスの通過不能な隔壁１９ｃで区画することにより複数のセル１９ｂ（貫通孔）が形成される。また活性物質は白金やパラジウム等であり、隔壁１９ｃ表面にコーティング（担持）される。酸化触媒１９の長さをＬとし直径をＤとするとき、Ｌ／Ｄが０．５〜４、好ましくは１．０〜２．５の範囲に設定される。また酸化触媒１９のセルの密度は６００〜３９００個／ｃｍ2、好ましくは１２００〜２６００個／ｃｍ2の範囲に設定される。酸化触媒１９の複数のセル１９ｂを区画する隔壁１９ｃの厚さは２０〜３２０μｍ、好ましくは２０〜８０μｍの範囲に設定される。更にエンジン１１の排気量を１００％とするとき酸化触媒１９の体積は２０〜１５０％、好ましくは５０〜８０％に設定される。
【００２３】
ここで、Ｌ／Ｄを０．５〜４の範囲内に限定したのは、Ｌ／Ｄが０．５未満では温度差が生じ難く、４を越えると酸化触媒１９が長過ぎて排ガスの流通抵抗が大きくなり圧力損失が大きくなるからである。また酸化触媒１９のセル１９ｂの密度を６００〜３９００個／ｃｍ2の範囲内に限定したのは、６００個／ｃｍ2未満では表面積が不足し、３９００個／ｃｍ2を越えるとセルが細くなり過ぎて排ガスの圧力損失が大きくなるからである。酸化触媒１９の隔壁１９ｃの厚さを２０〜３２０μｍの範囲内に限定したのは、２０μｍ未満では酸化触媒１９の所定の機械的強度を確保できず、３２０μｍを越えると必要最小限のセル１９ｂの密度を確保できないからである。更に酸化触媒の体積をエンジン排気量の２０〜１５０％の範囲内に限定したのは、２０％未満では排ガス中のＨＣ等の酸化率やＮＯのＮＯ2への転化率が低下し、１５０％を越えると必要以上に体積が増大し製造コストを押上げるからである。即ち、本発明の酸化触媒１９は従来の酸化触媒より細長くなるけれども、体積は同等に維持される。なお、この実施の形態では、酸化触媒の担体として、コージェライト製のハニカム担体を挙げたが、ステンレス鋼製のメタル担体であってもよい。このメタル担体は、帯板状のステンレス鋼箔上に波板状のステンレス鋼箔を固定した状態で、帯板状のステンレス鋼箔を螺旋状に巻いてステンレス鋼板製の短管内に挿入することにより形成される。
【００２４】
図１に戻って、選択還元型触媒付フィルタ１７より排ガス上流側であって酸化触媒１９より排ガス下流側の排気管１３ｂには、液体供給手段２３の液体噴射ノズル２３ａが挿入される。この液体噴射ノズル２３ａを挿入した部分の排気管１３ｂの内径、即ち選択還元型触媒付フィルタ１７及び酸化触媒１９間の排気管１３ｂの内径は、酸化触媒１９を収容したハウジング２１の内径と略同一になるように拡大される。また液体供給手段２３は、選択還元型触媒付フィルタ１７に向って尿素系液体２３ｂを噴射する上記液体噴射ノズル２３ａと、尿素系液体２３ｂを貯留する液体タンク２３ｃと、液体タンク２３ｃ及び液体噴射ノズル２３ａを連通接続する液体供給管２３ｄと、この液体供給管２３ｄに設けられ液体噴射ノズル２３ａへの尿素系液体２３ｂの流量を調整する液体調整弁２３ｅと、液体調整弁２３ｅ及び液体タンク２３ｃ間の液体供給管２３ｄに設けられ液体タンク２３ｃ内の尿素系液体２３ｂを液体噴射ノズル２３ａに圧送するポンプ２３ｆとを有する。上記尿素系液体２３ｂとしては、この実施の形態では尿素水溶液を用いたが、アンモニア水やアンモニア誘導物質等を用いてもよい。また液体調整弁２３ｅは液体供給管２３ｄの開度を変更することにより、液体噴射ノズル２３ａへの尿素水溶液２３ｂの流量を調整可能に構成される。
【００２５】
選択還元型触媒付フィルタ１７より排ガス上流側であって液体噴射ノズル２３ａより排ガス下流側のコンバータ２０には排ガスの温度を検出する温度センサ２４が挿入され、エンジン１１のクランク軸１１ａにはこの軸の回転速度を検出する回転センサ２６が設けられ、更に燃料噴射ポンプのロードレバー（図示せず）にはこのレバーの変位量を検出することによりエンジン１１の負荷を検出する負荷センサ２７が設けられる。上記温度センサ２４、回転センサ２６及び負荷センサ２７の各検出出力はマイクロコンピュータからなるコントローラ２８の制御入力に接続され、コントローラ２８の制御出力はＥＧＲ弁１６ａ、液体調整弁２３ｅ及びポンプ２３ｆにそれぞれ接続される。なお、回転センサ２６及び負荷センサ２７により運転状況検出手段２５が構成される。
【００２６】
またコントローラ２８にはメモリ２９が設けられ、このメモリ２９には、排ガス温度、エンジン回転及びエンジン負荷に応じたＥＧＲ弁１６ａの開度、液体調整弁２３ｅの開度及びポンプ２３ｆの作動又は不作動が予めマップとして記憶される。そして、コントローラ２８は温度センサ２４、回転センサ２６及び負荷センサ２７の各検出出力に基づいてエンジン１１の運転状況を把握し、その運転状況からメモリ２９に記憶された条件に従ってＥＧＲ弁１６ａ、液体調整弁２３ｅ及びポンプ２３ｆを制御し、その運転状況に応じて、所定の時期に最適な量のＥＧＲガスを吸気管１２ｂを通してエンジン１１に供給し、所定の時期に最適な量の尿素水溶液２３ｂを液体噴射ノズル２３ａから噴射するように構成される。
【００２７】
このように構成されたエンジン１１の排ガス浄化装置では、酸化触媒１９の体積を従来と同等に維持しつつ酸化触媒１９を細長くしたので、酸化触媒１９の車両等への搭載性を大幅に向上できる。またエンジン１１の排ガス温度の変動に対し、酸化触媒１９の活性時間を長く維持できる。具体的には、排ガス温度が上昇して酸化触媒１９の活性温度を越えると、先ず酸化触媒１９の入口温度が活性温度に達し、時間の経過に伴って酸化触媒１９の入口側から出口側に向って徐々に活性温度に達し、所定時間後に酸化触媒１９の全長にわたって活性温度に達する。次にこの状態から排ガス温度が下降して酸化触媒１９の活性温度未満になると、先ず酸化触媒１９の入口温度が活性温度未満になり、時間の経過に伴って酸化触媒１９の入口側から出口側に向って徐々に活性温度未満になり、所定時間後に酸化触媒１９の全長にわたって活性温度未満になる。このため、酸化触媒１９が細長いと、酸化触媒１９が活性温度以上に保たれる時間が長くなる。この作用及び効果は、比較的温まり難く冷め難いコージェライト製のハニカム担体１９ａを用いた酸化触媒１９であっても、或いは比較的温まり易く冷め易いステンレス鋼製のメタル担体を用いた酸化触媒であっても、同様である。例えば、本実施形態の酸化触媒と従来例の酸化触媒を鋼板製のハウジングに断熱材を介してそれぞれ収容した状態で排気管に接続し、この排気管に排ガスを導入して、この排ガスの温度を昇温した後、所定時間経過後に降温させると、酸化触媒の各部位の温度は図４に示すように変化する。即ち、図３に示す従来例の酸化触媒では、活性温度確保時間ｔ1が短かくなるのに対し、図２に示す本実施形態の酸化触媒では、活性温度確保時間ｔ2が長くなる。また酸化触媒のＬ／Ｄを変化させると、図５に示すように、酸化触媒のＬ／Ｄが大きくなるに従って、酸化触媒の活性温度の確保時間は次第に長くなる。
【００２８】
このように構成されたエンジン１１の排ガス浄化装置の動作を説明する。エンジンの低負荷運転時（排ガス温度が８０〜１８０℃と低い場合）では、即ちエンジン１１始動直後やエンジン１１の軽負荷運転時では、選択還元型触媒付フィルタ１７の入口側の排ガス温度が低過ぎて選択還元型触媒付フィルタ１７によりＮＯｘを殆ど還元できないので、コントローラ２８は温度センサ２４、回転センサ２６及び負荷センサ２７の各検出出力に基づいてＥＧＲ弁１６ａを制御しＥＧＲパイプ１６を所定の開度で開く。これによりエンジン１１の排ガスの一部であるＥＧＲガスがＥＧＲパイプ１６、ＥＧＲクーラ１６ｂ、吸気管１２ｂ及び吸気マニホルド１２ａを通ってエンジン１１に還流されるので、エンジン１１における燃料の燃焼温度が低下し、ＮＯｘの発生を抑制できる。また排ガス温度が低いため、ＥＧＲガスがＥＧＲクーラ１６ｂを通過しても、ＥＧＲガスがＥＧＲクーラ１６ｂを流通するエンジン冷却水を殆ど昇温させない。なお、ポンプ２３ｆは不作動のままにし、かつ液体調整弁２３ｅにより液体供給管２３ｄを閉じて、液体噴射ノズル２３ａから尿素水溶液２３ｂを噴射しない状態に保つ。
【００２９】
エンジンの中負荷から高負荷運転時（排ガス温度が１８０℃以上と高い場合）では、即ちエンジン１１が中負荷運転又は高負荷運転に移行すると、選択還元型触媒付フィルタ１７の入口側の排ガス温度が高くなり選択還元型触媒付フィルタ１７の選択還元型触媒にてＮＯｘを還元可能になるので、コントローラ２８は温度センサ２４、回転センサ２６及び負荷センサ２７の各検出出力に基づいてポンプ２３ｆを作動させるとともに液体調整弁２３ｅを制御して液体供給管２３ｄを所定の開度で開く。同時にＥＧＲ弁１６ａを制御してＥＧＲパイプ１６を閉じる。エンジン１１の排ガスに含まれるＮＯｘの大部分はＮＯであり、この酸化触媒１９にてＮＯ2に酸化され、このＮＯ2は選択還元型触媒付フィルタ１７の選択還元型触媒に吸着される。
【００３０】
一方、液体噴射ノズル２３ａから噴射された尿素水溶液２３ｂは加水分解してアンモニアが生成される。このとき液体噴射ノズル２３ａを挿入した部分の排気管１３ｂの内径が酸化触媒１９を収容するハウジング２１の内径と略同一になるように拡大したので、排ガスの圧力損失を小さくすることができる。また液体噴射ノズル２３ａを挿入した部分の排気管１３ｂの内径を拡大して、この排気管１３ｂの内径と選択還元型触媒付フィルタ１７の外径との差を小さくしたので、排ガスの熱損失を小さくすることができるとともに、尿素系液体２３ｂの排ガスへの分散性を向上できる。
【００３１】
(ＮＨ2)2ＣＯ ＋ Ｈ2Ｏ → ＣＯ2 ＋ ２ＮＨ3 …（１）
上記式（１）は尿素水溶液２３ｂが加水分解してアンモニアが生成される化学反応式を示す。この生成されたアンモニアは排ガスとともに選択還元型触媒付フィルタ１７に導入され、このフィルタ１７の選択還元型触媒にて上記アンモニアと上記排ガス中のＮＯｘ（ＮＯ及びＮＯ2）とが反応し、ＮＯｘ（ＮＯ及びＮＯ2）がＮ2に還元される。
【００３２】
ＮＯ ＋ ＮＯ2 ＋ ２ＮＨ3 → ３Ｎ2 ＋ ３Ｈ2Ｏ …（２）
４ＮＯ ＋ ４ＮＨ3 ＋ Ｏ2 → ４Ｎ2 ＋ ６Ｈ2Ｏ …（３）
６ＮＯ2 ＋ ８ＮＨ3 → ７Ｎ2 ＋ １２Ｈ2Ｏ …（４）
上記式（２）〜式（４）は排ガス中のＮＯｘ（ＮＯ及びＮＯ2）がアンモニアと反応してＮ2に還元される化学反応式を示す。また選択還元型触媒付フィルタ１７を通過した余剰のアンモニアはアンモニアスリップ防止触媒１８にて酸化され、Ｎ2及び水が生成される。この結果、エンジン１１の全ての負荷領域、即ち排ガス温度が低温域から高温域までの広い温度範囲にわたって、大気に排出される排ガス中のＮＯｘを効率良く低減できる。
【００３３】
なお、この実施の形態では、本発明の酸化触媒をディーゼルエンジンの排気管に設けたが、本発明の酸化触媒をガソリンエンジンの排気管に設けてもよい。また、この実施の形態では、本発明の排ガス浄化装置をターボ過給機付ディーゼルエンジンに適用したが、本発明の排ガス浄化装置を自然吸気型ディーゼルエンジンに適用してもよい。更に、この実施の形態では、コンバータに選択還元型触媒付フィルタを収容したが、コンバータに選択還元型触媒を収容してもよい。この選択還元型触媒は、両端が開放されかつ排ガスの流通方向に延びる複数のセル（貫通孔）が形成されたコージェライト製の円筒状のハニカム担体に銅イオン交換ゼオライト（Ｃｕ−ＺＳＭ−５）等の触媒をコーティング（担持）したり、或いは両端が開放されかつ排ガスの流通方向に延びる複数のセル（貫通孔）が形成されたステンレス鋼製の円筒状のメタル担体に銅イオン交換ゼオライト（Ｃｕ−ＺＳＭ−５）等の触媒をコーティング（担持）することにより形成される。上記選択還元型触媒を用いる場合には、この選択還元型触媒の直前又は直後のコンバータにパティキュレートフィルタが収容される。このパティキュレートフィルタは、排ガスの通過可能な多孔質の隔壁で区画されかつ排ガスの流通方向に延びる複数のセル（貫通孔）が形成されたコージェライト製の円筒状の担体と、複数のセル（貫通孔）の相隣接する入口部と出口部を交互に実質的に封止する封止部材とを有する。この場合、選択還元型触媒とパティキュレートフィルタとが別体となるため、装置が大型化するけれども、アンモニアスリップ防止触媒を小径（排気管の内径と略同一か或いは排気管の内径より僅かに大径にする）にしてコンバータより排ガス下流側の排気管に設けることにより、装置の大型化を防止できるか或いは装置の大型化は僅かで済む。
【実施例】
【００３４】
次に本発明の実施例を比較例とともに詳しく説明する。
＜実施例１＞
図２に示すように、白金を担持した金属製のハニカム担体１９ａからなる円筒状の酸化触媒１９を用意した。この酸化触媒１９の長さＬは２４０ｍｍであり、直径Ｄは１１０ｍｍであった。これによりＬ／Ｄは２．２であった。また酸化触媒１９のセル１９ｂの密度は１９３５個／ｃｍ2であり、酸化触媒１９の隔壁１９ｃの厚さは５０μｍであった。更に酸化触媒１９の体積は２２８０ｃｃであった。この酸化触媒１９を実施例１とした。
＜比較例１＞
図３に示すように、白金を担持したコージェライト製のハニカム担体９ａからなる円筒状の酸化触媒９を用意した。この酸化触媒９の長さＬは７６ｍｍであり、直径Ｄは１９０．５ｍｍであった。これによりＬ／Ｄは０．４であった。また酸化触媒９のセル９ｂの密度は１９３５個／ｃｍ2であり、酸化触媒９の隔壁９ｃの厚さは１２７μｍであった。更に酸化触媒９の体積は２１６６ｃｃであった。この酸化触媒９を比較例１とした。
【００３５】
＜比較試験１及び評価＞
実施例１及び比較例１の酸化触媒を鋼板製のハウジングに断熱材を介して収容した状態で内径５７．２ｍｍの排気管に接続した。排気管に排ガスを導入して、エンジンを冷機状態から任意の過渡運転を行った場合における、実施例１及び比較例１の酸化触媒の温度の経時変化を図６に示す。具体的には、先ずエンジンのアイドリング状態における酸化触媒の入口及び出口の温度を測定した。次にエンジンの回転速度及び負荷を徐々に上昇させて２１０秒後の酸化触媒の入口及び出口の温度を測定した。更にエンジンの回転速度及び負荷を徐々に下降させて２２０秒後の酸化触媒の入口及び出口の温度を測定した。なお、図６の折れ線グラフは、触媒の入口側及び出口側の温度のうち高い方の温度をプロットしたものである。
【００３６】
図６から明らかなように、実施例１の酸化触媒は、比較例１の酸化触媒より、エンジンの回転及び負荷の上昇時における酸化触媒の温度の上昇速度が速いことが分かった。これは、実施例１の酸化触媒が金属製のハニカム担体の特性、即ち暖まり易くかつ冷め易いという特性によるものであると考えられる。一方、エンジンの回転及び負荷の下降後においても実施例１及び比較例１の酸化触媒の温度が上昇するとともに、実施例１の酸化触媒の方が比較例１の酸化触媒より、エンジンの回転及び負荷の下降時における酸化触媒の温度が高いことが分かった。ここで、エンジンの回転及び負荷の下降後においても実施例１及び比較例１の酸化触媒の温度が上昇したのは、熱が伝達するのに時間の遅れが生じたためであると考えられる。また実施例１の酸化触媒の方が比較例１の酸化触媒より、エンジンの回転及び負荷の下降時における酸化触媒の温度が高くなったのは、実施例１の酸化触媒では、触媒の全長Ｌが長いことから、その材質が金属製であるにも拘らず、触媒の温度低下は起こり難いためであると考えられる。上述のことから、殆ど全ての領域で実施例１の酸化触媒の方が比較例１の酸化触媒より温度が高くなる、即ち実施例１の酸化触媒の方が比較例１の酸化触媒より触媒入口又は触媒出口のいずれかの温度が高くなることが分かった。この結果、実施例１の酸化触媒では、触媒活性の温度域から触媒全体が逸脱することが少ないので、酸化触媒の一部が活性温度域に入っている確率が高いということができる。
【符号の説明】
【００３７】
１１ ディーゼルエンジン
１３ｂ 排気管
１７ 選択還元型触媒付フィルタ
１８ アンモニアスリップ防止触媒
１９ 酸化触媒
１９ａ 担体
１９ｂ セル
１９ｃ 隔壁
２１ ハウジング
２３ 液体供給手段
２３ａ 液体噴射ノズル
２３ｂ 尿素系液体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排ガス中のＨＣ等を酸化しＮＯをＮＯ2に転化する酸化触媒と、この酸化触媒を用いたエンジンの排ガスを浄化する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ディーゼルエンジンの排気通路からＥＧＲパイプを通って吸気通路にＥＧＲガスが還流され、ＥＧＲパイプを流れるＥＧＲガスの流量がＥＧＲ弁により調整され、更にＥＧＲパイプを流れるＥＧＲガスがＥＧＲクーラを流通するエンジン冷却水により冷却されるディーゼルエンジンの排ガス浄化システムが開示されている（例えば、特許文献１参照。）。この排ガス浄化システムでは、排気通路に選択還元型触媒が設けられ、液体供給手段が選択還元型触媒より排ガス上流側の排気通路に挿入された液体噴射ノズルから尿素系液体が噴射される。上記選択還元型触媒より排ガス下流側の排気通路にアンモニアスリップ防止触媒が設けられ、エンジンの運転状況を検出する運転状況検出手段の検出出力に基づいてコントローラがＥＧＲ弁及び液体供給手段を制御する。また選択還元型触媒及びアンモニアスリップ防止触媒は排気管の直径より大径の筒状のコンバータに収容され、酸化触媒は排気管の直径より大径の筒状のハウジングに収容される。更に酸化触媒より排ガス下流側のハウジングには、エンジンの排ガスに含まれるパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタが収容される。
【０００３】
このように構成されたディーゼルエンジンの排ガス浄化システムでは、エンジンが低負荷であるとき、エンジンの排ガスの一部のＥＧＲガスがＥＧＲパイプ及びＥＧＲクーラを通って吸気通路に還流されるので、エンジンにおける燃料の燃焼温度が低下し、ＮＯｘの発生を抑制できるとともに、排ガス温度が比較的低いので、ＥＧＲガスがＥＧＲクーラを流通するエンジン冷却水を殆ど昇温させない。一方、エンジンが中負荷から高負荷であるとき、液体噴射ノズルから噴射された尿素系液体が速やかに加水分解してアンモニアに変換され、このアンモニアとエンジンの排ガスとが混合されて選択還元型触媒に導入され、排ガス中のＮＯｘが選択還元型触媒にてアンモニアと反応してＮ2に還元される。このときＥＧＲガスが吸気通路に還流されず、ＥＧＲクーラを流通するエンジン冷却水がＥＧＲガスにより加熱されないので、エンジンを速やかに冷却できる。なお、選択還元型触媒を通過した余剰のアンモニアはアンモニアスリップ防止触媒にて酸化されてＮ2及び水が生成される。この結果、エンジンの全ての負荷領域、即ち排ガス温度が低温域から高温域までの広い温度範囲にわたって、排ガス中のＮＯｘを除去することができるので、大気に排出される排ガス中のＮＯｘを効率良く低減できるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２７０５６５号公報（請求項１、段落［０００７］、段落［００２３］）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記従来の特許文献１に示された排ガス浄化システムでは、酸化触媒の温度が排ガス温度に左右されるため、酸化触媒として温まり易くかつ冷え難いものが望ましいけれども、そのような触媒は現在のところ存在しない。例えば、酸化触媒として、白金等の活性物質を担持したメタル担体を用いると、排ガス温度の上昇時には触媒温度が上がり易くなるけれども、排ガス温度の下降時には触媒温度が急速に低下してしまい、エンジンの排ガス温度の変動に対し、酸化触媒の活性時間を長く維持できないという不具合があった。また、上記従来の特許文献１に示された排ガス浄化システムでは、排気管に排ガス上流側から順に酸化触媒、パティキュレートフィルタ、選択還元型触媒及びアンモニアスリップ防止触媒が設けられ、比較的大型のシステムであるため、小型車にはこのシステムを搭載することが困難となる問題点もあった。更に、上記従来の特許文献１に示された排ガス浄化システムでは、大径の酸化触媒及びパティキュレートフィルタを通過した排ガスが小径の排気管に流入し、この小径の排気管内で尿素系液体が排ガスに添加されるため、排ガスの圧力損失が大きくなり、上記尿素系液体が添加された排ガスが再び大径の選択還元型触媒に流入するため、排ガスの熱損失が大きくなってしまう問題点もあった。
【０００６】
本発明の目的は、酸化触媒の車両等への搭載性を向上できるとともに、エンジンの排ガス温度の変動に対し、酸化触媒の活性時間を長く維持できる、酸化触媒及びこれを用いたエンジンの排ガス浄化装置を提供することにある。本発明の別の目的は、排ガスの圧力損失及び熱損失を小さくすることができるとともに、尿素系液体の排ガスへの分散性を向上できる、エンジンの排ガス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】
【０００７】
本発明の第１の観点は、図１及び図２に示すように、両端が開放されかつ排ガスの流通方向に延びる複数のセル１９ｂが形成された円筒状の担体１９ａと、この担体１９ａに担持された活性物質とを有する酸化触媒１９において、長さをＬとし直径をＤとするとき、Ｌ／Ｄが０．５〜４の範囲に設定され、セル１９ｂの密度が６００〜３９００個／ｃｍ2の範囲に設定され、複数のセル１９ｂを区画する隔壁１９ｃの厚さが２０〜３２０μｍの範囲に設定され、エンジンの排気量を１００％とするとき体積が２０〜１５０％に設定されたことを特徴とする酸化触媒である。
【０００８】
本発明の第２の観点は、第１の観点に基づく発明であって、更に図１及び図２に示すように、担体１９ａがコージェライトにより形成されたハニカム担体であるか或いはステンレス鋼により形成されたメタル担体であることを特徴とする。
【０００９】
本発明の第３の観点は、図１に示すように、エンジン１１の排気管１３ｂに設けられた第１の観点又は第２の観点の酸化触媒１９と、この酸化触媒１９より排ガス下流側の排気管１３ｂに設けられた選択還元型触媒付フィルタ１７又は選択還元型触媒と、酸化触媒１９と選択還元型触媒付フィルタ１７又は選択還元型触媒との間の排気管１３ｂに挿入された液体噴射ノズル２３ａを有しこの液体噴射ノズル２３ａから尿素系液体２３ｂを噴射する液体供給手段２３とを備えたエンジンの排ガス浄化装置である。
【００１０】
本発明の第４の観点は、第３の観点に基づく発明であって、更に図１に示すように、液体噴射ノズル２３ａを挿入した部分の排気管１３ｂの内径が酸化触媒１９を収容したハウジング２１の内径と略同一になるように拡大されたことを特徴とする。
【００１１】
本発明の第５の観点は、第３の観点に基づく発明であって、更に図１に示すように、選択還元型触媒付フィルタ１７又は選択還元型触媒より排ガス下流側にアンモニアスリップ防止触媒１８が設けられたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の第１の観点の酸化触媒では、酸化触媒において、Ｌ／Ｄを０．５〜４の範囲に設定し、セル密度を６００〜３９００個／ｃｍ2の範囲に設定し、隔壁の厚さを２０〜３２０μｍの範囲に設定し、体積をエンジン排気量の２０〜１５０％に設定したので、酸化触媒の体積を従来と同等に維持しつつ酸化触媒を細長くすることができる。この結果、酸化触媒の車両等への搭載性を大幅に向上できるとともに、エンジンの排ガス温度の変動に対し、酸化触媒の活性時間を長く維持できる。
【００１３】
本発明の第２の観点の酸化触媒では、比較的温まり難く冷め難いコージェライト製のハニカム担体を用いた酸化触媒であっても、或いは比較的温まり易く冷め易いステンレス鋼製のメタル担体を用いた酸化触媒であっても、エンジンの排ガス温度の変動に対し、酸化触媒の活性時間を長く維持できる。
【００１４】
本発明の第３の観点の排ガス浄化装置では、酸化触媒の体積を従来と同等に維持しつつ酸化触媒を細長くすることができるので、酸化触媒の車両等への搭載性を大幅に向上できるとともに、エンジンの排ガス温度の変動に対し、酸化触媒の活性時間を長く維持できる。
【００１５】
本発明の第４の観点の排ガス浄化装置では、酸化触媒を収容するハウジングを細くし、液体噴射ノズルを挿入した部分の排気管の内径をハウジングの内径と略同一になるように拡大したので、排ガスの圧力損失を小さくすることができる。また液体噴射ノズルを挿入した部分の排気管の内径を拡大して、この排気管の内径と選択還元型触媒付フィルタ又は選択還元型触媒の外径との差を小さくしたので、排ガスの熱損失を小さくすることができるとともに、尿素系液体の排ガスへの分散性を向上できる。
【００１６】
本発明の第５の観点の排ガス浄化装置では、選択還元型触媒付フィルタ又は選択還元型触媒を通過した余剰のアンモニアがアンモニアスリップ防止触媒にて酸化されるので、アンモニアが大気中に排出されることはない。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明実施形態及び実施例２のエンジンの排ガス浄化装置の構成図である。
【図２】本発明実施形態及び実施例１の酸化触媒の斜視図である。
【図３】従来例及び比較例１の酸化触媒の斜視図である。
【図４】排ガス温度の昇降時における本実施形態及び従来例の酸化触媒の活性温度の確保時間の比較を示す図である。
【図５】本実施形態及び従来例の酸化触媒のＬ／Ｄに対する活性温度確保時間の変化を示す図である。
【図６】エンジンを冷機状態から任意の過渡運転を行った場合における実施例１及び比較例１の酸化触媒の温度の経時変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
次に本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。図１に示すように、ディーゼルエンジン１１の吸気ポートには吸気マニホルド１２ａを介して吸気管１２ｂが接続され、排気ポートには排気マニホルド１３ａを介して排気管１３ｂが接続される。吸気管１２ｂには、ターボ過給機１４のコンプレッサケース１４ａと、ターボ過給機１４により圧縮された吸気を冷却するインタクーラ１５とがそれぞれ設けられ、排気マニホルド１３ａに近い排気管１３ｂにはターボ過給機１４のタービンケース１４ｂが設けられる。図示しないがコンプレッサケース１４ａ内にはコンプレッサホイールが回転可能に設けられ、タービンケース１４ｂにはタービンホイールが回転可能に設けられ、これらのホイールはシャフトにより連結される。エンジン１１から排出される排ガスのエネルギによりタービンホイール及びシャフトを介してコンプレッサホイールが回転し、このコンプレッサホイールの回転により吸気管１２ｂ内の吸入空気が圧縮されるように構成される。
【００１９】
上記吸気マニホルド１２ａと吸気管１２ｂとにより吸気通路１２が構成され、上記排気マニホルド１３ａと排気管１３ｂにより排気通路１３が構成される。また排気マニホルド１３ａと吸気管１２ｂとはエンジン１１をバイパスするようにＥＧＲパイプ１６にて連通接続され、このＥＧＲパイプ１６には排気マニホルド１３ａから吸気管１２ｂに向って排ガスの一部であるＥＧＲガスが還流されるように構成される。更にＥＧＲパイプ１６には、このＥＧＲパイプを流れるＥＧＲガスの流量を調整するＥＧＲ弁１６ａと、ＥＧＲパイプ１６を流れるＥＧＲガスをエンジン冷却水により冷却するＥＧＲクーラ１６ｂとが設けられる。
【００２０】
一方、タービンケース１４ｂより排ガス下流側の排気管１３ｂには選択還元型触媒付フィルタ１７が設けられる。選択還元型触媒付フィルタ１７より排ガス下流側の排気管１３ｂにはアンモニアスリップ防止触媒１８が設けられ、選択還元型触媒付フィルタ１７より排ガス上流側であってタービンケース１４ｂより排ガス下流側の排気管１３ｂには酸化触媒１９が設けられる。選択還元型触媒付フィルタ１７及びアンモニアスリップ防止触媒１８は排気管１３ｂの直径より大径の筒状のコンバータ２０に収容され、酸化触媒１９は排気管１３ｂの直径より大径でありかつコンバータ２０より小径である筒状のハウジング２１に収容される。
【００２１】
選択還元型触媒付フィルタ１７は選択還元型触媒を担持したパティキュレートフィルタからなる。パティキュレートフィルタは、図示しないが、排ガスの通過可能な多孔質の隔壁で区画されかつ排ガスの流通方向に延びる複数のセル（貫通孔）が形成されたコージェライト製の円筒状の担体と、複数のセル（貫通孔）の相隣接する入口部と出口部を交互に実質的に封止する封止部材とを有する。また選択還元型触媒は、図示しないがパティキュレートフィルタの隔壁にコーティング（担持）された銅イオン交換ゼオライト（Ｃｕ−ＺＳＭ−５）等の触媒である。この銅イオン交換ゼオライト触媒はＮａ型のＺＳＭ−５ゼオライトのＮａイオンをＣｕイオンとイオン交換した物質である。なお、銅イオン交換ゼオライトを用いた触媒ではなく、鉄イオン交換ゼオライト、ゼオライト、酸化チタン、酸化バナジウム、酸化セリウム、酸化ジルコニウム又は酸化タングステン等を用いた触媒であってもよい。またアンモニアスリップ防止触媒１８は、図示しないが両端が開放されかつ排ガスの流通方向に延びる複数のセル（貫通孔）が形成されたコージェライト製の円筒状のハニカム担体に白金やパラジウム等の活性物質をコーティング（担持）したり、或いは両端が開放されかつ排ガスの流通方向に延びる複数のセル（貫通孔）が形成されたステンレス鋼製の円筒状のメタル担体に白金やパラジウム等の活性物質をコーティング（担持）することにより形成される。
【００２２】
酸化触媒１９は、図２に詳しく示すように、両端が開放されかつ排ガスの流通方向に延びる複数のセル１９ｂ（貫通孔）が形成された円筒状の担体１９ａと、この担体１９ａに担持された活性物質とを有する。酸化触媒１９の担体１９ａは、コージェライト製のハニカム担体であり、排ガスの通過不能な隔壁１９ｃで区画することにより複数のセル１９ｂ（貫通孔）が形成される。また活性物質は白金やパラジウム等であり、隔壁１９ｃ表面にコーティング（担持）される。酸化触媒１９の長さをＬとし直径をＤとするとき、Ｌ／Ｄが０．５〜４、好ましくは１．０〜２．５の範囲に設定される。また酸化触媒１９のセルの密度は６００〜３９００個／ｃｍ2、好ましくは１２００〜２６００個／ｃｍ2の範囲に設定される。酸化触媒１９の複数のセル１９ｂを区画する隔壁１９ｃの厚さは２０〜３２０μｍ、好ましくは２０〜８０μｍの範囲に設定される。更にエンジン１１の排気量を１００％とするとき酸化触媒１９の体積は２０〜１５０％、好ましくは５０〜８０％に設定される。
【００２３】
ここで、Ｌ／Ｄを０．５〜４の範囲内に限定したのは、Ｌ／Ｄが０．５未満では温度差が生じ難く、４を越えると酸化触媒１９が長過ぎて排ガスの流通抵抗が大きくなり圧力損失が大きくなるからである。また酸化触媒１９のセル１９ｂの密度を６００〜３９００個／ｃｍ2の範囲内に限定したのは、６００個／ｃｍ2未満では表面積が不足し、３９００個／ｃｍ2を越えるとセルが細くなり過ぎて排ガスの圧力損失が大きくなるからである。酸化触媒１９の隔壁１９ｃの厚さを２０〜３２０μｍの範囲内に限定したのは、２０μｍ未満では酸化触媒１９の所定の機械的強度を確保できず、３２０μｍを越えると必要最小限のセル１９ｂの密度を確保できないからである。更に酸化触媒の体積をエンジン排気量の２０〜１５０％の範囲内に限定したのは、２０％未満では排ガス中のＨＣ等の酸化率やＮＯのＮＯ2への転化率が低下し、１５０％を越えると必要以上に体積が増大し製造コストを押上げるからである。即ち、本発明の酸化触媒１９は従来の酸化触媒より細長くなるけれども、体積は同等に維持される。なお、この実施の形態では、酸化触媒の担体として、コージェライト製のハニカム担体を挙げたが、ステンレス鋼製のメタル担体であってもよい。このメタル担体は、帯板状のステンレス鋼箔上に波板状のステンレス鋼箔を固定した状態で、帯板状のステンレス鋼箔を螺旋状に巻いてステンレス鋼板製の短管内に挿入することにより形成される。
【００２４】
図１に戻って、選択還元型触媒付フィルタ１７より排ガス上流側であって酸化触媒１９より排ガス下流側の排気管１３ｂには、液体供給手段２３の液体噴射ノズル２３ａが挿入される。この液体噴射ノズル２３ａを挿入した部分の排気管１３ｂの内径、即ち選択還元型触媒付フィルタ１７及び酸化触媒１９間の排気管１３ｂの内径は、酸化触媒１９を収容したハウジング２１の内径と略同一になるように拡大される。また液体供給手段２３は、選択還元型触媒付フィルタ１７に向って尿素系液体２３ｂを噴射する上記液体噴射ノズル２３ａと、尿素系液体２３ｂを貯留する液体タンク２３ｃと、液体タンク２３ｃ及び液体噴射ノズル２３ａを連通接続する液体供給管２３ｄと、この液体供給管２３ｄに設けられ液体噴射ノズル２３ａへの尿素系液体２３ｂの流量を調整する液体調整弁２３ｅと、液体調整弁２３ｅ及び液体タンク２３ｃ間の液体供給管２３ｄに設けられ液体タンク２３ｃ内の尿素系液体２３ｂを液体噴射ノズル２３ａに圧送するポンプ２３ｆとを有する。上記尿素系液体２３ｂとしては、この実施の形態では尿素水溶液を用いたが、アンモニア水やアンモニア誘導物質等を用いてもよい。また液体調整弁２３ｅは液体供給管２３ｄの開度を変更することにより、液体噴射ノズル２３ａへの尿素水溶液２３ｂの流量を調整可能に構成される。
【００２５】
選択還元型触媒付フィルタ１７より排ガス上流側であって液体噴射ノズル２３ａより排ガス下流側のコンバータ２０には排ガスの温度を検出する温度センサ２４が挿入され、エンジン１１のクランク軸１１ａにはこの軸の回転速度を検出する回転センサ２６が設けられ、更に燃料噴射ポンプのロードレバー（図示せず）にはこのレバーの変位量を検出することによりエンジン１１の負荷を検出する負荷センサ２７が設けられる。上記温度センサ２４、回転センサ２６及び負荷センサ２７の各検出出力はマイクロコンピュータからなるコントローラ２８の制御入力に接続され、コントローラ２８の制御出力はＥＧＲ弁１６ａ、液体調整弁２３ｅ及びポンプ２３ｆにそれぞれ接続される。なお、回転センサ２６及び負荷センサ２７により運転状況検出手段２５が構成される。
【００２６】
またコントローラ２８にはメモリ２９が設けられ、このメモリ２９には、排ガス温度、エンジン回転及びエンジン負荷に応じたＥＧＲ弁１６ａの開度、液体調整弁２３ｅの開度及びポンプ２３ｆの作動又は不作動が予めマップとして記憶される。そして、コントローラ２８は温度センサ２４、回転センサ２６及び負荷センサ２７の各検出出力に基づいてエンジン１１の運転状況を把握し、その運転状況からメモリ２９に記憶された条件に従ってＥＧＲ弁１６ａ、液体調整弁２３ｅ及びポンプ２３ｆを制御し、その運転状況に応じて、所定の時期に最適な量のＥＧＲガスを吸気管１２ｂを通してエンジン１１に供給し、所定の時期に最適な量の尿素水溶液２３ｂを液体噴射ノズル２３ａから噴射するように構成される。
【００２７】
このように構成されたエンジン１１の排ガス浄化装置では、酸化触媒１９の体積を従来と同等に維持しつつ酸化触媒１９を細長くしたので、酸化触媒１９の車両等への搭載性を大幅に向上できる。またエンジン１１の排ガス温度の変動に対し、酸化触媒１９の活性時間を長く維持できる。具体的には、排ガス温度が上昇して酸化触媒１９の活性温度を越えると、先ず酸化触媒１９の入口温度が活性温度に達し、時間の経過に伴って酸化触媒１９の入口側から出口側に向って徐々に活性温度に達し、所定時間後に酸化触媒１９の全長にわたって活性温度に達する。次にこの状態から排ガス温度が下降して酸化触媒１９の活性温度未満になると、先ず酸化触媒１９の入口温度が活性温度未満になり、時間の経過に伴って酸化触媒１９の入口側から出口側に向って徐々に活性温度未満になり、所定時間後に酸化触媒１９の全長にわたって活性温度未満になる。このため、酸化触媒１９が細長いと、酸化触媒１９が活性温度以上に保たれる時間が長くなる。この作用及び効果は、比較的温まり難く冷め難いコージェライト製のハニカム担体１９ａを用いた酸化触媒１９であっても、或いは比較的温まり易く冷め易いステンレス鋼製のメタル担体を用いた酸化触媒であっても、同様である。例えば、本実施形態の酸化触媒と従来例の酸化触媒を鋼板製のハウジングに断熱材を介してそれぞれ収容した状態で排気管に接続し、この排気管に排ガスを導入して、この排ガスの温度を昇温した後、所定時間経過後に降温させると、酸化触媒の各部位の温度は図４に示すように変化する。即ち、図３に示す従来例の酸化触媒では、活性温度確保時間ｔ1が短かくなるのに対し、図２に示す本実施形態の酸化触媒では、活性温度確保時間ｔ2が長くなる。また酸化触媒のＬ／Ｄを変化させると、図５に示すように、酸化触媒のＬ／Ｄが大きくなるに従って、酸化触媒の活性温度の確保時間は次第に長くなる。
【００２８】
このように構成されたエンジン１１の排ガス浄化装置の動作を説明する。エンジンの低負荷運転時（排ガス温度が８０〜１８０℃と低い場合）では、即ちエンジン１１始動直後やエンジン１１の軽負荷運転時では、選択還元型触媒付フィルタ１７の入口側の排ガス温度が低過ぎて選択還元型触媒付フィルタ１７によりＮＯｘを殆ど還元できないので、コントローラ２８は温度センサ２４、回転センサ２６及び負荷センサ２７の各検出出力に基づいてＥＧＲ弁１６ａを制御しＥＧＲパイプ１６を所定の開度で開く。これによりエンジン１１の排ガスの一部であるＥＧＲガスがＥＧＲパイプ１６、ＥＧＲクーラ１６ｂ、吸気管１２ｂ及び吸気マニホルド１２ａを通ってエンジン１１に還流されるので、エンジン１１における燃料の燃焼温度が低下し、ＮＯｘの発生を抑制できる。また排ガス温度が低いため、ＥＧＲガスがＥＧＲクーラ１６ｂを通過しても、ＥＧＲガスがＥＧＲクーラ１６ｂを流通するエンジン冷却水を殆ど昇温させない。なお、ポンプ２３ｆは不作動のままにし、かつ液体調整弁２３ｅにより液体供給管２３ｄを閉じて、液体噴射ノズル２３ａから尿素水溶液２３ｂを噴射しない状態に保つ。
【００２９】
エンジンの中負荷から高負荷運転時（排ガス温度が１８０℃以上と高い場合）では、即ちエンジン１１が中負荷運転又は高負荷運転に移行すると、選択還元型触媒付フィルタ１７の入口側の排ガス温度が高くなり選択還元型触媒付フィルタ１７の選択還元型触媒にてＮＯｘを還元可能になるので、コントローラ２８は温度センサ２４、回転センサ２６及び負荷センサ２７の各検出出力に基づいてポンプ２３ｆを作動させるとともに液体調整弁２３ｅを制御して液体供給管２３ｄを所定の開度で開く。同時にＥＧＲ弁１６ａを制御してＥＧＲパイプ１６を閉じる。エンジン１１の排ガスに含まれるＮＯｘの大部分はＮＯであり、この酸化触媒１９にてＮＯ2に酸化され、このＮＯ2は選択還元型触媒付フィルタ１７の選択還元型触媒に吸着される。
【００３０】
一方、液体噴射ノズル２３ａから噴射された尿素水溶液２３ｂは加水分解してアンモニアが生成される。このとき液体噴射ノズル２３ａを挿入した部分の排気管１３ｂの内径が酸化触媒１９を収容するハウジング２１の内径と略同一になるように拡大したので、排ガスの圧力損失を小さくすることができる。また液体噴射ノズル２３ａを挿入した部分の排気管１３ｂの内径を拡大して、この排気管１３ｂの内径と選択還元型触媒付フィルタ１７の外径との差を小さくしたので、排ガスの熱損失を小さくすることができるとともに、尿素系液体２３ｂの排ガスへの分散性を向上できる。
【００３１】
(ＮＨ2)2ＣＯ ＋ Ｈ2Ｏ → ＣＯ2 ＋ ２ＮＨ3 …（１）
上記式（１）は尿素水溶液２３ｂが加水分解してアンモニアが生成される化学反応式を示す。この生成されたアンモニアは排ガスとともに選択還元型触媒付フィルタ１７に導入され、このフィルタ１７の選択還元型触媒にて上記アンモニアと上記排ガス中のＮＯｘ（ＮＯ及びＮＯ2）とが反応し、ＮＯｘ（ＮＯ及びＮＯ2）がＮ2に還元される。
【００３２】
ＮＯ ＋ ＮＯ2 ＋ ２ＮＨ3 → ３Ｎ2 ＋ ３Ｈ2Ｏ …（２）
４ＮＯ ＋ ４ＮＨ3 ＋ Ｏ2 → ４Ｎ2 ＋ ６Ｈ2Ｏ …（３）
６ＮＯ2 ＋ ８ＮＨ3 → ７Ｎ2 ＋ １２Ｈ2Ｏ …（４）
上記式（２）〜式（４）は排ガス中のＮＯｘ（ＮＯ及びＮＯ2）がアンモニアと反応してＮ2に還元される化学反応式を示す。また選択還元型触媒付フィルタ１７を通過した余剰のアンモニアはアンモニアスリップ防止触媒１８にて酸化され、Ｎ2及び水が生成される。この結果、エンジン１１の全ての負荷領域、即ち排ガス温度が低温域から高温域までの広い温度範囲にわたって、大気に排出される排ガス中のＮＯｘを効率良く低減できる。
【００３３】
なお、この実施の形態では、本発明の酸化触媒をディーゼルエンジンの排気管に設けたが、本発明の酸化触媒をガソリンエンジンの排気管に設けてもよい。また、この実施の形態では、本発明の排ガス浄化装置をターボ過給機付ディーゼルエンジンに適用したが、本発明の排ガス浄化装置を自然吸気型ディーゼルエンジンに適用してもよい。更に、この実施の形態では、コンバータに選択還元型触媒付フィルタを収容したが、コンバータに選択還元型触媒を収容してもよい。この選択還元型触媒は、両端が開放されかつ排ガスの流通方向に延びる複数のセル（貫通孔）が形成されたコージェライト製の円筒状のハニカム担体に銅イオン交換ゼオライト（Ｃｕ−ＺＳＭ−５）等の触媒をコーティング（担持）したり、或いは両端が開放されかつ排ガスの流通方向に延びる複数のセル（貫通孔）が形成されたステンレス鋼製の円筒状のメタル担体に銅イオン交換ゼオライト（Ｃｕ−ＺＳＭ−５）等の触媒をコーティング（担持）することにより形成される。上記選択還元型触媒を用いる場合には、この選択還元型触媒の直前又は直後のコンバータにパティキュレートフィルタが収容される。このパティキュレートフィルタは、排ガスの通過可能な多孔質の隔壁で区画されかつ排ガスの流通方向に延びる複数のセル（貫通孔）が形成されたコージェライト製の円筒状の担体と、複数のセル（貫通孔）の相隣接する入口部と出口部を交互に実質的に封止する封止部材とを有する。この場合、選択還元型触媒とパティキュレートフィルタとが別体となるため、装置が大型化するけれども、アンモニアスリップ防止触媒を小径（排気管の内径と略同一か或いは排気管の内径より僅かに大径にする）にしてコンバータより排ガス下流側の排気管に設けることにより、装置の大型化を防止できるか或いは装置の大型化は僅かで済む。
【実施例】
【００３４】
次に本発明の実施例を比較例とともに詳しく説明する。
＜実施例１＞
図２に示すように、白金を担持した金属製のハニカム担体１９ａからなる円筒状の酸化触媒１９を用意した。この酸化触媒１９の長さＬは２４０ｍｍであり、直径Ｄは１１０ｍｍであった。これによりＬ／Ｄは２．２であった。また酸化触媒１９のセル１９ｂの密度は１９３５個／ｃｍ2であり、酸化触媒１９の隔壁１９ｃの厚さは５０μｍであった。更に酸化触媒１９の体積は２２８０ｃｃであった。この酸化触媒１９を実施例１とした。
＜比較例１＞
図３に示すように、白金を担持したコージェライト製のハニカム担体９ａからなる円筒状の酸化触媒９を用意した。この酸化触媒９の長さＬは７６ｍｍであり、直径Ｄは１９０．５ｍｍであった。これによりＬ／Ｄは０．４であった。また酸化触媒９のセル９ｂの密度は１９３５個／ｃｍ2であり、酸化触媒９の隔壁９ｃの厚さは１２７μｍであった。更に酸化触媒９の体積は２１６６ｃｃであった。この酸化触媒９を比較例１とした。
【００３５】
＜比較試験１及び評価＞
実施例１及び比較例１の酸化触媒を鋼板製のハウジングに断熱材を介して収容した状態で内径５７．２ｍｍの排気管に接続した。排気管に排ガスを導入して、エンジンを冷機状態から任意の過渡運転を行った場合における、実施例１及び比較例１の酸化触媒の温度の経時変化を図６に示す。具体的には、先ずエンジンのアイドリング状態における酸化触媒の入口及び出口の温度を測定した。次にエンジンの回転速度及び負荷を徐々に上昇させて２１０秒後の酸化触媒の入口及び出口の温度を測定した。更にエンジンの回転速度及び負荷を徐々に下降させて２２０秒後の酸化触媒の入口及び出口の温度を測定した。なお、図６の折れ線グラフは、触媒の入口側及び出口側の温度のうち高い方の温度をプロットしたものである。
【００３６】
図６から明らかなように、実施例１の酸化触媒は、比較例１の酸化触媒より、エンジンの回転及び負荷の上昇時における酸化触媒の温度の上昇速度が速いことが分かった。これは、実施例１の酸化触媒が金属製のハニカム担体の特性、即ち暖まり易くかつ冷め易いという特性によるものであると考えられる。一方、エンジンの回転及び負荷の下降後においても実施例１及び比較例１の酸化触媒の温度が上昇するとともに、実施例１の酸化触媒の方が比較例１の酸化触媒より、エンジンの回転及び負荷の下降時における酸化触媒の温度が高いことが分かった。ここで、エンジンの回転及び負荷の下降後においても実施例１及び比較例１の酸化触媒の温度が上昇したのは、熱が伝達するのに時間の遅れが生じたためであると考えられる。また実施例１の酸化触媒の方が比較例１の酸化触媒より、エンジンの回転及び負荷の下降時における酸化触媒の温度が高くなったのは、実施例１の酸化触媒では、触媒の全長Ｌが長いことから、その材質が金属製であるにも拘らず、触媒の温度低下は起こり難いためであると考えられる。上述のことから、殆ど全ての領域で実施例１の酸化触媒の方が比較例１の酸化触媒より温度が高くなる、即ち実施例１の酸化触媒の方が比較例１の酸化触媒より触媒入口又は触媒出口のいずれかの温度が高くなることが分かった。この結果、実施例１の酸化触媒では、触媒活性の温度域から触媒全体が逸脱することが少ないので、酸化触媒の一部が活性温度域に入っている確率が高いということができる。
【符号の説明】
【００３７】
１１ ディーゼルエンジン
１３ｂ 排気管
１７ 選択還元型触媒付フィルタ
１８ アンモニアスリップ防止触媒
１９ 酸化触媒
１９ａ 担体
１９ｂ セル
１９ｃ 隔壁
２１ ハウジング
２３ 液体供給手段
２３ａ 液体噴射ノズル
２３ｂ 尿素系液体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
両端が開放されかつ排ガスの流通方向に延びる複数のセル(19b)が形成された円筒状の担体(19a)と、前記担体(19a)に担持された活性物質とを有する酸化触媒(19)において、
長さをＬとし直径をＤとするとき、Ｌ／Ｄが０．５〜４の範囲に設定され、
前記セル(19b)の密度が６００〜３９００個／ｃｍ2の範囲に設定され、
前記複数のセル(19b)を区画する隔壁(19c)の厚さが２０〜３２０μｍの範囲に設定され、
エンジン(11)の排気量を１００％とするとき体積が２０〜１５０％に設定された
ことを特徴とする酸化触媒。
【請求項２】
担体(19a)がコージェライトにより形成されたハニカム担体であるか或いはステンレス鋼により形成されたメタル担体である請求項１記載の酸化触媒。
【請求項３】
エンジン(11)の排気管(13b)に設けられた請求項１又は２に記載の酸化触媒(19)と、前記酸化触媒(19)より排ガス下流側の排気管(13b)に設けられた選択還元型触媒付フィルタ(17)又は選択還元型触媒と、前記酸化触媒(19)と前記選択還元型触媒付フィルタ(17)又は前記選択還元型触媒との間の排気管(13b)に挿入された液体噴射ノズル(23a)を有しこの液体噴射ノズル(23a)から尿素系液体(23b)を噴射する液体供給手段(23)とを備えたエンジンの排ガス浄化装置。
【請求項４】
液体噴射ノズル(23a)を挿入した部分の排気管(13b)の内径が酸化触媒(19)を収容したハウジング(21)の内径と略同一になるように拡大された請求項３記載のエンジンの排ガス浄化装置。
【請求項５】
選択還元型触媒付フィルタ(17)又は選択還元型触媒より排ガス下流側にアンモニアスリップ防止触媒(18)が設けられた請求項３記載のエンジンの排ガス浄化装置。
【請求項１】
両端が開放されかつ排ガスの流通方向に延びる複数のセル(19b)が形成された円筒状の担体(19a)と、前記担体(19a)に担持された活性物質とを有する酸化触媒(19)において、
長さをＬとし直径をＤとするとき、Ｌ／Ｄが０．５〜４の範囲に設定され、
前記セル(19b)の密度が６００〜３９００個／ｃｍ2の範囲に設定され、
前記複数のセル(19b)を区画する隔壁(19c)の厚さが２０〜３２０μｍの範囲に設定され、
エンジン(11)の排気量を１００％とするとき体積が２０〜１５０％に設定された
ことを特徴とする酸化触媒。
【請求項２】
担体(19a)がコージェライトにより形成されたハニカム担体であるか或いはステンレス鋼により形成されたメタル担体である請求項１記載の酸化触媒。
【請求項３】
エンジン(11)の排気管(13b)に設けられた請求項１又は２に記載の酸化触媒(19)と、前記酸化触媒(19)より排ガス下流側の排気管(13b)に設けられた選択還元型触媒付フィルタ(17)又は選択還元型触媒と、前記酸化触媒(19)と前記選択還元型触媒付フィルタ(17)又は前記選択還元型触媒との間の排気管(13b)に挿入された液体噴射ノズル(23a)を有しこの液体噴射ノズル(23a)から尿素系液体(23b)を噴射する液体供給手段(23)とを備えたエンジンの排ガス浄化装置。
【請求項４】
液体噴射ノズル(23a)を挿入した部分の排気管(13b)の内径が酸化触媒(19)を収容したハウジング(21)の内径と略同一になるように拡大された請求項３記載のエンジンの排ガス浄化装置。
【請求項５】
選択還元型触媒付フィルタ(17)又は選択還元型触媒より排ガス下流側にアンモニアスリップ防止触媒(18)が設けられた請求項３記載のエンジンの排ガス浄化装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−２５１６６（Ｐ２０１１−２５１６６Ａ）
【公開日】平成２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１７４０１３（Ｐ２００９−１７４０１３）
【出願日】平成２１年７月２７日（２００９．７．２７）
【出願人】（０００００５４６３）日野自動車株式会社 (1,484)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月２７日（２００９．７．２７）
【出願人】（０００００５４６３）日野自動車株式会社 (1,484)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]