JP2005061362A - Exhaust emission control device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は排気浄化装置に関するものである。 The present invention relates to an exhaust purification device.
近年、酸素共存状態であっても選択的にNOxが還元剤と反応可能な尿素選択還元触媒を、ディーゼルエンジンの排気系統に組み込み、エンジン排気のNOx濃度の低減を図るようにした排気浄化装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 In recent years, there has been an exhaust purification device that incorporates a urea selective reduction catalyst capable of selectively reacting with a reducing agent even in the presence of oxygen in the exhaust system of a diesel engine so as to reduce the NOx concentration in the engine exhaust. It has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
この排気浄化装置は、図6に示すように、浄化すべき排気Gの進行方向上流側から下流側へ向けて順に並ぶ尿素選択還元触媒1及びアンモニア酸化触媒2と、これらの還元触媒1及び酸化触媒2を内装するケーシング3と、排気Gに対して尿素水Uを噴霧する添加ノズル4と、演算ユニット5とを備えている。
As shown in FIG. 6, this exhaust purification apparatus includes a urea
還元触媒1には、バナジウム、チタン、タングステンなどの酸化物で組成したもの、銅、ゼオライトで組成したもの、あるいはゼオライトを用いている。
As the
酸化触媒2には、アンモニアを酸化処理して窒素、あるいは一酸化窒素を生成可能な物性のものを用いている。
As the
ケーシング3は、エンジン6の排気マニホールド7からターボチャージャ8のタービン9を経てマフラ10に至る排気Gの流通経路11の中間部分に設けられている。
The
添加ノズル4は、還元触媒1よりも排気Gの進行方向上流側に位置するようにケーシング3の排気導入口付近に取り付けられている。
The addition nozzle 4 is attached in the vicinity of the exhaust inlet of the
この添加ノズル4には、制御ユニット12から給電を受けるモータ13で駆動され且つタンク14より尿素水Uを吸引して吐出するポンプ15が、電磁弁16を介して接続されている。
A
添加ノズル4の上流側には、NOx濃度センサ28が設けられ、ケーシング3の排気導入口付近には温度センサ17が設けられ、更に、ケーシング3の排気送出口付近には、NOx濃度センサ18と温度センサ29が設けられている。
A
これに加えて、エンジン6には、回転数センサ19が付帯し、アクセルペダル20には、その踏み込み角度に基づき負荷指令を算定するアクセルセンサ21が付帯している。
In addition, the
演算ユニット5は、
a.回転数センサ19により得たエンジン6の回転数と、アクセルセンサ21により得たエンジン6に対する負荷指令値とから現時点のエンジン6の運転状態を想定してNOxの発生予想量を算出する機能、
b.上記の発生予想量に見合った尿素水Uの添加量を算出する機能、
c.温度センサ17,29により得たケーシング3の排気導入口、または排気送出口付近の雰囲気温度が、還元触媒1の活性温度域に含まれる場合に、ソレノイドを励磁して電磁弁16を開き且つ制御ユニット12によりモータ13を作動させてポンプ15を駆動し、添加ノズル4から排気Gの流れに対して尿素水Uを、前記の添加量に基づき噴霧する機能、
d.NOx濃度センサ18により得たケーシング3の排気送出口付近のNOx濃度、または、NOx濃度センサ18により得た添加ノズル4上流付近のNOx濃度に応じて尿素水Uの添加量を補正する機能、
などを具備している。
The
a. A function for calculating a predicted amount of NOx generated assuming the current operating state of the
b. A function of calculating the amount of urea water U added in accordance with the expected generation amount;
c. When the ambient temperature near the exhaust inlet or exhaust outlet of the
d. A function of correcting the addition amount of urea water U according to the NOx concentration near the exhaust outlet of the
Etc.
すなわち、排気Gの温度が還元触媒1の活性温度域に含まれる場合に、還元剤である尿素水Uを排気Gに添加すると、まず、尿素水Uがアンモニアと炭酸ガスとに分解する。
[化1]
(NH2)2CO+H2O→2NH3+CO2
That is, when the temperature of the exhaust gas G is included in the activation temperature range of the
[Chemical 1]
(NH 2 ) 2 CO + H 2 O → 2NH 3 + CO 2
次いで、還元触媒1とアンモニアにより排気GのNOxが還元処理され、NOxの大気中への放出を抑制する。
[化2]
6NO2+8NH3→7N2+12H2O
[化3]
6NO+4NH3→5N2+6H2O
[化4]
4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O
Next, NOx in the exhaust G is reduced by the
[Chemical 2]
6NO 2 + 8NH 3 → 7N 2 + 12H 2 O
[Chemical formula 3]
6NO + 4NH 3 → 5N 2 + 6H 2 O
[Chemical formula 4]
4NO + 4NH 3 + O 2 → 4N 2 + 6H 2 O
更に、微量のアンモニアが未反応のまま還元触媒1を通過したとしても、当該アンモニアは酸化触媒2で酸化処理され、窒素、あるいは一酸化窒素が大気中に放出されることになる。
しかしながら、図6に示す排気浄化装置では、エンジン6の起動直後、車両の寒冷地での運用、エンジン6の低負荷運転の継続などによって、ケーシング3の排気導入口(還元触媒1の排気G進行方向上流側)や排気送出口(還元触媒1の排気G進行方向下流側)の雰囲気温度が高くならない場合には(具体的には200℃を上回らないと)、添加ノズル4から噴霧した尿素水Uが分解しにくくなり、このため、アンモニアの生成量が不足してNOxを効率よく還元できなくなる。
However, in the exhaust emission control device shown in FIG. 6, immediately after the
本発明は上述した実情に鑑みてなしたもので、NOxの還元効率を向上可能な排気浄化装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object of the present invention is to provide an exhaust purification device capable of improving NOx reduction efficiency.
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明は、エンジンから送出される排気の流通経路に、NOx還元触媒を設置した排気浄化装置において、排気中に尿素水を混ぜる還元剤添加手段を、エンジンに付帯のターボチャージャよりも排気進行方向上流側に位置するように設置している。
In order to achieve the above object, the invention described in
請求項2に記載の発明は、エンジンから送出される排気の流通経路に、NOx還元触媒を設置した排気浄化装置において、排気中に尿素水を混ぜる還元剤添加手段を、還元触媒よりも排気進行方向上流側に位置するように設置し、還元剤添加手段へ供給すべき尿素水を昇温させる加熱手段を設けている。 According to the second aspect of the present invention, in the exhaust gas purification apparatus in which the NOx reduction catalyst is installed in the flow path of the exhaust gas sent from the engine, the reducing agent addition means for mixing urea water in the exhaust gas is more advanced than the reduction catalyst. A heating means is provided so as to be located upstream in the direction, and raises the temperature of urea water to be supplied to the reducing agent addition means.
請求項3に記載の発明は、エンジンから送出される排気の流通経路に、NOx還元触媒を設置した排気浄化装置において、排気中に尿素水を混ぜる還元剤添加手段を、エンジンに付帯のターボチャージャよりも排気進行方向上流側に位置するように設置し、還元剤添加手段へ供給すべき尿素水を昇温させる加熱手段を設けている。 According to a third aspect of the present invention, there is provided an exhaust gas purification apparatus in which a NOx reduction catalyst is installed in a flow path of exhaust gas delivered from an engine, and a reducing agent addition means for mixing urea water in the exhaust gas is provided with a turbocharger attached to the engine. The heating means is provided so as to be located on the upstream side in the exhaust traveling direction and raise the temperature of the urea water to be supplied to the reducing agent addition means.
請求項4に記載の発明は、ゼオライトと貴金属触媒を担持させたアンモニア酸化触媒を、NOx還元触媒の下流側に設置している。 According to a fourth aspect of the present invention, an ammonia oxidation catalyst carrying a zeolite and a noble metal catalyst is installed on the downstream side of the NOx reduction catalyst.
請求項1に記載の発明では、ターボチャージャよりも排気進行方向上流側で高温の排気に還元処理用の尿素水を添加して、ターボチャージャを回転させる排気と尿素水の微細液滴を混ぜ合わせ、尿素水の分解を促進させてアンモニアの生成量を確保する。 In the first aspect of the invention, the urea water for reduction treatment is added to the high-temperature exhaust gas upstream of the turbocharger in the exhaust traveling direction, and the exhaust gas for rotating the turbocharger and the fine droplets of urea water are mixed. , And promote the decomposition of urea water to ensure the production amount of ammonia.
請求項2に記載の発明では、排気に添加すべき還元処理用の尿素水を加熱手段で昇温し、尿素水の分解を促進させてアンモニアの生成量を確保する。 According to the second aspect of the present invention, the urea water for reduction treatment to be added to the exhaust gas is heated by the heating means to promote the decomposition of the urea water to secure the amount of ammonia generated.
請求項3に記載の発明では、排気に添加すべき還元処理用の尿素水を加熱手段で昇温させた後、ターボチャージャよりも排気進行方向上流側で高温の排気に尿素水を添加して、ターボチャージャを回転させる排気と尿素水の微細液滴を混ぜ合わせ、尿素水の分解を促進させてアンモニアの生成量を確保する。
In the invention according to
請求項4に記載の発明では、NOxの還元に寄与しなかったアンモニアを、ゼオライトと貴金属触媒により、窒素や一酸化窒素に酸化する。 In the invention according to claim 4, ammonia that has not contributed to the reduction of NOx is oxidized to nitrogen or nitric oxide by the zeolite and the noble metal catalyst.
本発明の排気浄化装置によれば、下記のような種々の優れた効果を奏し得る。 According to the exhaust emission control device of the present invention, the following various excellent effects can be obtained.
(1)請求項1に記載の発明においては、ターボチャージャよりも排気進行方向上流側で高温の排気に還元処理用の尿素水を添加して、ターボチャージャを回転させる排気と尿素水の微細液滴を混ぜ合わせ、尿素水の分解を促進させるので、アンモニアの生成量を確保することができ、NOxの還元効率が向上する。 (1) In the first aspect of the present invention, the exhaust gas for rotating the turbocharger and the fine solution of urea water are added by adding urea water for reduction treatment to the high-temperature exhaust gas upstream of the turbocharger in the exhaust traveling direction. Since the droplets are mixed and the decomposition of the urea water is promoted, the amount of ammonia produced can be secured, and the NOx reduction efficiency is improved.
(2)請求項2に記載の発明においては、排気に添加すべき還元処理用の尿素水を加熱手段で昇温し、尿素水の分解を促進させるので、アンモニアの生成量を確保することができ、NOxの還元効率が向上する。
(2) In the invention described in
(3)請求項3に記載の発明においては、排気に添加すべき還元処理用の尿素水を加熱手段で昇温させた後、ターボチャージャよりも排気進行方向上流側で高温の排気に尿素水を添加して、ターボチャージャを回転させる排気と尿素水の微細液滴を混ぜ合わせ、尿素水の分解を促進させるので、アンモニアの生成量を確保することができ、NOxの還元効率が向上する。
(3) In the invention described in
(4)請求項4に記載の発明においては、アンモニア酸化触媒に、ゼオライトと貴金属触媒を担持させているので、NOxの還元に寄与しなかった残余のアンモニアを効率よく窒素や一酸化窒素に酸化することができる。 (4) In the invention described in claim 4, since the zeolite and the noble metal catalyst are supported on the ammonia oxidation catalyst, the remaining ammonia that has not contributed to the reduction of NOx is efficiently oxidized to nitrogen or nitric oxide. can do.
以下、本発明の実施の形態を、図示例とともに説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は本発明の排気浄化装置の実施の形態の第1の例を示すものであり、図中、図6と同一の符号を付した部分は同一物を表わしている。 FIG. 1 shows a first example of an embodiment of an exhaust emission control device according to the present invention. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 6 denote the same components.
この排気浄化装置は、先述した添加ノズル4、演算ユニット5、及びNOx濃度センサ28(図6参照)に代えて、尿素水Uを噴霧する添加ノズル22と、演算ユニット23と、エンジン6の排気マニホールド7に設けたNOx濃度センサ30とを備えている。
This exhaust purification device replaces the above-described addition nozzle 4,
また、酸化触媒2としては、ハニカム構造のコージライト担体の表面に、酸性物質であるゼオライト(シリカ・アルミナ材)と貴金属触媒(白金、バラジウム、あるいはこれらの双方)とを担持させたもの用いている。
Further, as the
添加ノズル22は、ターボチャージャ8(タービン9)の排気入口付近に位置するように、排気マニホールド7に取り付けられている。
The
この添加ノズル22には、電磁弁16を介してポンプ15が接続されている。
A
演算ユニット23は、
a.回転数センサ19により得たエンジン6の回転数と、アクセルセンサ21により得たエンジン6に対する負荷指令値とから現時点のエンジン6の運転状態を想定してNOxの発生予想量を算出する機能、
b.上記の発生予想量に見合った尿素水Uの添加量を算出する機能、
c.上記の発生予想量が予め設定したしきい値を超過した場合に、ソレノイドを励磁して電磁弁16を開き且つ制御ユニット12によりモータ13を作動させてポンプ15を駆動し、添加ノズル22から排気Gの流れに対して尿素水Uを噴霧する機能、
d.NOx濃度センサ18により得たケーシング3の排気送出口付近のNOx濃度、または、NOx濃度センサ30により得た排気マニホールド7内のNOx濃度に応じて尿素水Uの添加量を補正する機能、
などを具備している。
The
a. A function for calculating a predicted amount of NOx generated assuming the current operating state of the
b. A function of calculating the amount of urea water U added in accordance with the expected generation amount;
c. When the expected generation amount exceeds a preset threshold value, the solenoid is excited to open the
d. A function of correcting the addition amount of urea water U according to the NOx concentration near the exhaust outlet of the
Etc.
すなわち、NOxの還元処理に用いる尿素水Uを、エンジン6のシリンダから払い出されてすぐ後の高温の排気Gに対して噴霧すること、並びに、タービン9を排気Gが回転させる際に、尿素水Uの微細液滴と排気Gとが混ざり合うことの相乗作用で尿素水の分解が促進される。
That is, the urea water U used for the NOx reduction treatment is sprayed on the high-temperature exhaust G immediately after being discharged from the cylinder of the
つまり、図1に示す排気浄化装置では、エンジン6の起動直後、車両の寒冷地での運用、エンジン6の低負荷運転の継続などによって、ケーシング3の排気導入口(還元触媒1の排気G進行方向上流側)の雰囲気温度が高くならない場合であっても、アンモニアの生成量が確保され、排気Gに含まれているNOxを効率よく還元することができる。
That is, in the exhaust emission control device shown in FIG. 1, immediately after the
この実施例における還元触媒1の雰囲気温度と排気GのNOx低減率との関係は、図2に実線で示すような傾向を呈し、図6の従来例における還元触媒1の雰囲気温度と排気GのNOx低減率との関係は、図2に破線で示すような傾向を呈する。
The relationship between the atmospheric temperature of the
更に、微量のアンモニアが未反応のまま還元触媒1を通過したとしても、当該アンモニアは酸化触媒2で酸化処理され、窒素、あるいは一酸化窒素が大気中に放出されることになる。
Further, even if a small amount of ammonia passes through the
図3は本発明の排気浄化装置の実施の形態の第2の例を示すものであり、図中、図6と同一の符号を付した部分は同一物を表わしている。 FIG. 3 shows a second example of the embodiment of the exhaust emission control device of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 6 denote the same components.
この排気浄化装置は、加熱器24と、演算ユニット5(図6参照)の代わりの演算ユニット25とを備えている。
This exhaust purification apparatus includes a
加熱器24は、制御ユニット26から給電を受け且つ添加ノズル4へ向かって送出すべき尿素水Uを昇温させる電熱線27を有している。
The
演算ユニット25は、
a.回転数センサ19により得たエンジン6の回転数と、アクセルセンサ21により得たエンジン6に対する負荷指令値とから現時点のエンジン6の運転状態を想定してNOxの発生予想量を算出する機能、
b.上記の発生予想量に見合った尿素水Uの添加量を算出する機能、
c.温度センサ17,29により得たケーシング3の排気導入口、または排気送出口付近の雰囲気温度が、200℃程度まで下がった際に、制御ユニット26により電熱線27を過熱状態にし、添加ノズル4から噴霧すべき尿素水Uの液温を少なくとも150〜200℃の範囲に昇温させる機能、
d.上記の発生予想量が予め設定したしきい値を超過した場合に、ソレノイドを励磁して電磁弁16を開き且つ制御ユニット12によりモータ13を作動させてポンプ15を駆動し、添加ノズル4から尿素水Uを噴霧する機能、
e.NOx濃度センサ18により得たケーシング3の排気送出口付近のNOx濃度、または、NOx濃度センサ28により得た添加ノズル4上流付近のNOx濃度に応じて尿素水Uの添加量を補正する機能、
などを具備している。
The
a. A function for calculating a predicted amount of NOx generated assuming the current operating state of the
b. A function of calculating the amount of urea water U added in accordance with the expected generation amount;
c. When the ambient temperature near the exhaust inlet or exhaust outlet of the
d. When the predicted generation amount exceeds a preset threshold value, the solenoid is excited to open the
e. A function of correcting the addition amount of urea water U according to the NOx concentration near the exhaust outlet of the
Etc.
すなわち、NOxの還元処理に用いる尿素水Uを、加熱器24で積極的に昇温させることで尿素水の分解が促進される。
That is, the urea water U used for the NOx reduction treatment is actively heated by the
つまり、図3に示す排気浄化装置では、エンジン6の起動直後、車両の寒冷地での運用、エンジン6の低負荷運転の継続などによって、ケーシング3の排気導入口(還元触媒1の排気G進行方向上流側)の雰囲気温度が高くならない場合であっても、アンモニアの生成量が確保され、排気Gに含まれているNOxを効率よく還元することができる。
That is, in the exhaust emission control device shown in FIG. 3, immediately after the
この実施例における還元触媒1の雰囲気温度と排気GのNOx低減率との関係は、図4に実線で示すような傾向を呈し、図6の従来例における還元触媒1の雰囲気温度と排気GのNOx低減率との関係は、図4に破線で示すような傾向を呈する。
The relationship between the atmospheric temperature of the
図5は本発明の排気浄化装置の実施の形態の第3の例を示すものであり、図中、図1、図3、図6と同一の符号を付した部分は同一物を表わしている。 FIG. 5 shows a third example of the embodiment of the exhaust gas purification apparatus of the present invention. In the figure, the parts denoted by the same reference numerals as those in FIGS. 1, 3, and 6 represent the same items. .
この排気浄化装置では、エンジン6の排気マニホールド7に取り付けた添加ノズル22に、加熱器24で昇温した尿素水Uを送給するようにしている。
In this exhaust purification apparatus, urea water U heated by a
すなわち、NOxの還元処理に用いる尿素水Uを、エンジン6のシリンダから払い出されてすぐ後の高温の排気Gに対して噴霧すること、並びに、タービン9を排気Gが回転させる際に、尿素水Uの微細液滴と排気Gとが混ざり合うことの相乗作用と、尿素水Uを加熱器24で積極的に昇温させることで尿素水の分解が促進される。
That is, the urea water U used for the NOx reduction treatment is sprayed on the high-temperature exhaust G immediately after being discharged from the cylinder of the
つまり、図5に示す排気浄化装置では、エンジン6の起動直後、車両の寒冷地での運用、エンジン6の低負荷運転の継続などによって、ケーシング3の排気導入口(還元触媒1の排気G進行方向上流側)の雰囲気温度が高くならない場合であっても、アンモニアの生成量が確保され、排気Gに含まれているNOxを効率よく還元することができる。
That is, in the exhaust emission control device shown in FIG. 5, immediately after the
なお、本発明の排気浄化装置は上述した実施の形態のみに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において変更を加え得ることは勿論である。 It should be noted that the exhaust emission control device of the present invention is not limited to the embodiment described above, and it is needless to say that changes can be made without departing from the scope of the present invention.
本発明の排気浄化装置は、車両用のディーゼルエンジンをはじめとして各種の内燃機関に適用できる。 The exhaust emission control device of the present invention can be applied to various internal combustion engines including a diesel engine for vehicles.
1 尿素選択還元触媒(NOx還元触媒)
2 アンモニア酸化触媒
4 添加ノズル(還元剤添加手段)
6 エンジン
8 ターボチャージャ
11 流通経路
22 添加ノズル(還元剤添加手段)
24 加熱器(加熱手段)
G 排気
U 尿素水
1 Urea selective reduction catalyst (NOx reduction catalyst)
2 Ammonia oxidation catalyst 4 Addition nozzle (reducing agent addition means)
6
24 Heater (heating means)
G exhaust U urea water
Claims (4)
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