JP3883974B2 - 排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジン等の排気浄化装置において、窒素酸化物還元触媒の上流に噴射添加される尿素水溶液の加水分解効率を向上させる技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
エンジンから排出される排気中に含まれる窒素酸化物(NOx)を浄化する排気浄化装置として、特開2000−27627号公報(特許文献1)に開示されるような排気浄化装置が提案されている。かかる排気浄化装置は、酸素過剰雰囲気で窒素酸化物を無害な窒素(N2)、酸素(O2)等に転化すべく、エンジンの排気通路に窒素酸化物還元触媒が介装されている。また、窒素酸化物還元触媒における窒素酸化物浄化効率を高めるべく、尿素((NH2)2CO)水溶液を搭載し、窒素酸化物還元触媒の上流の排気管内に噴射添加する構成が採用されている。このような排気浄化装置では、尿素水溶液は、エンジンの排気により加熱され、加水分解し、アンモニアを発生する。そして、窒素酸化物還元触媒において、このアンモニアが還元剤となって、排気中の窒素酸化物が還元、除去される。
【0003】
【特許文献1】
特開2000−27627号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
このような構成の排気浄化装置において、排気管内に噴射添加された尿素水溶液の一部は、排気管に付着し液滴になってしまう。ところが、エンジンの排気管は、その外壁が外気と接触しており、排気と比較して低温になっているため、液滴になった尿素水溶液は充分に加熱されず、アンモニアに加水分解しにくくなる恐れがある。こうなると、窒素酸化物還元触媒において、アンモニアが不足し、排気中の窒素酸化物の浄化効率が低下する恐れがある。また、アンモニアを増加させるために、尿素水溶液の添加量を増加させると、尿素水溶液の使用量が増加し、経済性が低下するとともに、アンモニアに加水分解されなかった尿素水溶液が、排気管中に析出したり、大気中に排出したりしてしまう恐れがあるという問題点があった。
【0005】
そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、内壁に付着して液滴となった尿素水溶液の温度低下を抑制することで、尿素水溶液からアンモニアを発生させる加水分解効率を向上させる排気浄化装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項1記載の発明は、排気管に介装され、排気中の窒素酸化物を還元除去する窒素酸化物還元触媒と、前記窒素酸化物還元触媒の上流に、排気の流れに沿って、前記排気管の内壁との間に間隙を有するように設けられた、両端が開口した内筒と、尿素水溶液を貯蔵する尿素水溶液貯蔵手段と、前記尿素水溶液貯蔵手段に貯蔵された尿素水溶液を、排気の流れに沿って、前記内筒の内部に噴射添加する噴射手段と、を含んで構成される排気浄化装置において、前記内筒は、前記排気管の横断面上に板面が位置し、該板面に多数の穴が開いた2つの支持板によって支持されることを特徴とする。
【0007】
かかる構成によれば、尿素水溶液貯蔵手段に貯蔵された尿素水溶液が、噴射手段により内筒の内部に噴射添加される。内筒は、両端が開口し、排気の流れに沿って外壁と前記排気管の内壁との間に間隙を有するように設けられているので、内部に排気通路を形成するとともに、外壁と排気管の内壁との間に排気通路を形成する。したがって、内筒は、排気管を流通する排気により外側及び内側から加熱され、すぐに排気と略同じ温度になる。これにより、内筒の内部に噴射添加された尿素水溶液は、内筒の内壁に付着して液滴になっても、温度低下することが抑制される。
【0008】
請求項2記載の発明は、前記内筒の内部に噴射添加される尿素水溶液を加熱する加熱手段を有することを特徴とする。
かかる構成によれば、尿素水溶液は、あらかじめ加熱されてから内筒の内部に噴射添加されるので、低温の尿素水溶液が噴射添加されることによる排気の温度低下が抑制される。
【0009】
請求項3記載の発明は、前記加熱手段は、前記尿素水溶液貯蔵手段に貯蔵された尿素水溶液を加熱することを特徴とする。
かかる構成によれば、尿素水溶液貯蔵手段に貯蔵された尿素水溶液が加熱されるので、内筒の内部に噴射添加される尿素水溶液の温度が安定する。
【0010】
請求項4記載の発明は、前記加熱手段は、前記尿素水溶液貯蔵手段と噴射手段との間の配管内を流通する尿素水溶液を加熱することを特徴とする。
かかる構成によれば、尿素水溶液貯蔵手段と噴射手段との間の配管内を流通する尿素水溶液が加熱されるので、内筒の内部に噴射添加される必要最小限の尿素水溶液のみ加熱される。
【0011】
請求項5記載の発明は、前記加熱手段は、電気ヒータであることを特徴とする。
かかる構成によれば、加熱手段が電気ヒータであるので、簡単な構造で容易に、内筒の内部に噴射添加される尿素水溶液を加熱できる。
【0012】
請求項6記載の発明は、前記排気管を流通する排気は、エンジンの排気であり、前記加熱手段は、前記エンジンを冷却する冷却液により尿素水溶液を加熱することを特徴とする。
【0013】
かかる構成によれば、エンジンを冷却する冷却液により、内筒の内部に噴射添加される尿素水溶液が加熱されるので、廃熱を利用して尿素水溶液が加熱される。
【0014】
請求項7記載の発明は、前記加熱手段は、前記窒素酸化物還元触媒を通過した排気により尿素水溶液を加熱することを特徴とする。
かかる構成によれば、窒素酸化物還元触媒を通過した排気により、内筒の内部に噴射添加される尿素水溶液が加熱されるので、廃熱を利用して尿素水溶液が加熱される。また、窒素酸化物還元触媒へ供給される排気の温度を低下させることがない。
【0015】
請求項8記載の発明は、前記加熱手段から外気への放熱を抑制する断熱手段が設けられたことを特徴とする。
かかる構成によれば、加熱手段により発生した熱量が外気へ極力漏れることなく尿素水溶液を加熱し、加熱された尿素水溶液が保温される。
【0016】
請求項9記載の発明は、前記排気管を流通する排気は、エンジンの排気であり、前記エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、前記運転状態検出手段により検出された運転状態に基づいて、前記噴射手段により噴射添加される尿素水溶液の添加流量を制御する添加制御手段と、を有することを特徴とする。
【0017】
かかる構成によれば、エンジンの運転状態に基づいて、尿素水溶液の添加流量が制御されるので、窒素酸化物還元触媒においてエンジンの排気中の窒素酸化物を還元除去する際に必要な量の尿素水溶液が過不足なく噴射添加される。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
図1は、本発明をエンジンに適用した排気浄化装置の第1実施例の構成図である。
【0019】
エンジン1の排気通路である排気管2には、窒素酸化物を還元浄化する窒素酸化物還元触媒3が介装されている。
窒素酸化物還元触媒3は、セラミックのコーディライトやFe−Cr−Al系の耐熱鋼からなるハニカム形状の横断面を有するモノリスタイプの触媒担体に、例えば、ゼオライト系の活性成分が担持された構成をなす。そして、触媒担体に担持された活性成分は、還元剤としてのアンモニア(NH3)の供給を受けて活性化し、窒素酸化物を効果的に無害物質に転化させる。
【0020】
排気浄化装置には、尿素水溶液が貯蔵される尿素水溶液タンク4(尿素水溶液貯蔵手段)が設けられている。そして、この尿素水溶液タンク4は、配管5を介して、尿素水溶液添加装置6と接続されている。
【0021】
一方、尿素水溶液添加装置6は、配管7を介してポンプ8と接続されている。ポンプ8は、尿素水溶液添加装置6に空気を加圧供給する。また、尿素水溶液添加装置6は、配管9を介して、窒素酸化物還元触媒3の上流側の排気管2内に設けられた噴射ノズル10(噴射手段)に接続されており、加圧供給された空気に尿素水溶液を混合して噴射ノズル10に供給する。
【0022】
配管9の周囲には、電気ヒータ11(加熱手段)が設けられ、更にその周囲には、断熱材12(断熱手段)が設けられている。
また、マイクロコンピュータを内蔵した尿素水溶液添加コントローラ13(添加制御手段)が設けられている。尿素水溶液添加コントローラ13は、エンジン1の作動を制御するエンジンコントローラ14(運転状態検出手段)からCAN(Controller Area Network)通信によりエンジン1の運転情報の受信が可能になっているとともに、ポンプ8、尿素水溶液添加装置6及び電気ヒータ11を作動制御する。
【0023】
ここで、図2を合わせて用いて、噴射ノズル10近辺の詳細構造について説明する。
窒素酸化物還元触媒3の上流側の排気管2内には、排気の流れに沿って、両端が開放された円筒状の内筒20が設けられている。内筒20は、排気管2内に設けられた2枚の円環板状の支持板21により、排気管2と略同心に支持されており、排気管2の内壁との間に間隙を有するように設けられている。
【0024】
支持板21は、多数の穴が開いている。これにより、排気管2内を流通する排気は、内筒20の内側及び外側を流通できるようになっている。
そして、配管9の先端に接続された噴射ノズル10は、内筒20内に、配管9を通して供給された尿素水溶液を、排気の流れに沿って噴射添加できるように設けられている。
【0025】
次に、このようなエンジンの排気浄化装置の動作について説明する。
エンジン1が作動することにより、その排気は排気管2に排出される。このとき、尿素水溶液添加コントローラ13は、エンジンコントローラ14からエンジン1の回転速度、吸気流量、負荷等の運転状態を受信する。そして、排気中の窒素酸化物を還元するために必要な尿素水溶液の添加流量を演算し、ポンプ8、尿素水溶液添加装置6及び電気ヒータ11を作動制御する。これにより、尿素水溶液は、ポンプ8により取り込まれた空気と混合するとともに、配管9を通過することによって電気ヒータ11により加熱されて、噴射ノズル10から内筒20内に噴射添加される。
【0026】
噴射ノズル10から噴射添加された尿素水溶液は、排気と混合し加熱され、加水分解し、アンモニアを発生させる。そして、このアンモニアとともにエンジン1からの排気が窒素酸化物還元触媒3に供給される。そして、窒素酸化物還元触媒3において、このアンモニアを還元剤として、排気中の窒素酸化物が還元除去される。
【0027】
なお、尿素水溶液は、排気中に噴射添加される前に、あらかじめ電気ヒータ11により加熱されるので、昇温した状態で排気中に噴射添加される。これにより、低温の尿素水溶液の噴射添加による排気の温度低下が抑えられるので、窒素酸化物還元触媒3における触媒反応の活性が維持され、排気中の窒素酸化物の還元除去が効率よく行われる。また、排気中に噴射添加される尿素水溶液のみ加熱されるので、尿素水溶液を加熱するための消費エネルギーが抑制される。
【0028】
更に、内筒20は、その外側も排気が流通するので、すぐに排気と略同じ温度になる。したがって、噴射ノズル10から噴射した尿素水溶液は、内筒20の内壁に付着しても、すぐに加熱される。これにより、尿素水溶液は、内筒20の内壁に付着して液滴になっても、温度低下することなく、加水分解が効率よく行われるので、窒素酸化物還元触媒3において、アンモニアが不足することなく、排気中の窒素酸化物の還元除去が効率よく行われる。
【0029】
次に、図3を用いて、本発明をエンジンに適用した排気浄化装置の第2実施例を説明する。
本実施例では、第1実施例において、尿素水溶液添加装置6と噴射ノズル10との間の配管9の周囲に設けられた電気ヒータ11及び断熱材12が、尿素水溶液タンク4の周囲に設けられている。これにより、尿素水溶液タンク4内に貯蔵されている尿素水溶液が加熱される。したがって、本実施例は、第1実施例と同様に、尿素水溶液が昇温した状態で排気中に噴射添加される。これにより、排気の温度低下が抑えられ、排気中の窒素酸化物の還元除去が効率よく行われる。なお、尿素水溶液タンク4内に貯蔵されている尿素水溶液が加熱されるので、尿素水溶液の添加流量が変動しても、略一定の温度の尿素水溶液が排気中に添加されるので、尿素水溶液の加水分解効率が安定する。
【0030】
次に、図4を用いて、本発明をエンジンに適用した排気浄化装置の第3実施例を説明する。
本実施例では、エンジン1の冷却液の配管22を尿素水溶液タンク4内に通過させることによって、エンジン1の冷却液により尿素水溶液を加熱する。これにより、電気ヒータ11を必要とせずに、尿素水溶液タンク4内に貯蔵されている尿素水溶液が昇温するので、電気ヒータ11による電力消費が抑制される。なお、本実施例の場合、配管22が加熱手段に該当する。
【0031】
次に、図5を用いて、本発明をエンジンに適用した排気浄化装置の第4実施例を説明する。
本実施例では、尿素水溶液タンク4と尿素水溶液添加装置6との間の配管5の中間部を、窒素酸化物還元触媒3の下流の排気管2に巻き回すことで、排気管2内を流通する排気から受熱し、配管5内の尿素水溶液を加熱する。これにより、電気ヒータ11を必要とせずに、尿素水溶液タンク4から尿素水溶液添加装置6に供給される尿素水溶液が昇温するので、電気ヒータ11による電力消費が抑制される。なお、配管5の中間部を窒素酸化物還元触媒3の下流の排気管2に巻き回すので、窒素酸化物還元触媒3に供給される排気の温度を低下させることがなく、窒素酸化物還元触媒3における排気中の窒素酸化物の還元除去の効率を低下させることがない。なお、本実施例の場合、窒素酸化物還元触媒3の下流の排気管2が加熱手段に該当する。
【0032】
なお、第1〜第4の実施例は、単独で実施しても、いずれを複数組み合わせて実施してもよい。
また、第1〜第4の実施例のいずれにおいても、尿素水溶液は、尿素水溶液添加装置6にてポンプ8により供給された空気に混合されてから、排気管2内に噴射添加されるようにしたが、噴射ノズル10から尿素水溶液を直接排気管2内に噴射添加するようにしてもよい。このとき、尿素水溶液添加装置6の代わりに尿素水溶液を加圧するポンプを設ければ、空気を加圧するポンプ8は不要となる。そして、このポンプを尿素水溶液添加コントローラ13により作動制御することによって、尿素水溶液の添加流量を制御すればよい。
【0033】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1記載の発明によれば、内筒の内部に噴射添加された尿素水溶液は、内筒の内壁に付着して液滴になっても、温度低下することがなく、尿素水溶液の加水分解効率が向上する。これにより、窒素酸化物還元触媒においてアンモニアが不足することがなくなり、排気中から窒素酸化物を還元除去する効率が向上する。また、アンモニアの不足を補うために尿素水溶液の添加流量を増加させる必要がなく、アンモニアに加水分解されなかった尿素水溶液が、排気管中に析出したり、大気中に排出したりすることがない。
【0034】
請求項2記載の発明によれば、低温の尿素水溶液が噴射添加されることによる排気の温度低下が抑制されるので、尿素水溶液の加水分解効率が向上するとともに、窒素酸化物還元触媒における触媒反応の活性が維持され、排気中から窒素酸化物を還元除去する効率が向上する。
【0035】
請求項3記載の発明によれば、内筒の内部に噴射添加される尿素水溶液の温度が安定するので、尿素水溶液の加水分解効率が安定する。
請求項4記載の発明によれば、内筒の内部に噴射添加される必要最小限の尿素水溶液のみ加熱されるので、尿素水溶液を加熱するための消費エネルギーが抑制される。
【0036】
請求項5記載の発明によれば、簡単な構造で容易に、内筒の内部に噴射添加される尿素水溶液を加熱できるので、効率のよい排気浄化装置を簡単な構造で容易に実施することができる。
【0037】
請求項6記載の発明によれば、エンジンを冷却する冷却液により、廃熱を利用して尿素水溶液が加熱されるので、尿素水溶液を加熱するための消費エネルギーが抑制される。
【0038】
請求項7記載の発明によれば、窒素酸化物還元触媒を通過した排気により、廃熱を利用して尿素水溶液が加熱されるので、尿素水溶液を加熱するための消費エネルギーが抑制される。また、窒素酸化物還元触媒へ供給される排気の温度を低下させることがなく、窒素酸化物の還元除去の効率低下を防止する。
【0039】
請求項8記載の発明によれば、加熱手段により効率よく尿素水溶液を加熱できるので、加熱手段の消費エネルギーが極力抑制される。
請求項9記載の発明によれば、窒素酸化物還元触媒においてエンジンの排気中の窒素酸化物を還元除去する際に必要な量の尿素水溶液が過不足なく噴射添加されるので、尿素水溶液の不足による窒素酸化物の還元除去の効率低下を防止するとともに、尿素水溶液の消費量が極力抑制される。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1実施例における排気浄化装置の構成図
【図2】 本発明の排気浄化装置の噴射ノズル近辺の詳細構造図
【図3】 本発明の第2実施例における排気浄化装置の構成図
【図4】 本発明の第3実施例における排気浄化装置の構成図
【図5】 本発明の第4実施例における排気浄化装置の構成図
【符号の説明】
1 エンジン
2 排気管
3 窒素酸化物還元触媒
4 尿素水溶液タンク
10 噴射ノズル
11 電気ヒータ
12 断熱材
13 尿素水溶液添加コントローラ
14 エンジンコントローラ
20 内筒
21 支持板
22 配管
Claims (9)
- 排気管に介装され、排気中の窒素酸化物を還元除去する窒素酸化物還元触媒と、
前記窒素酸化物還元触媒の上流に、排気の流れに沿って、前記排気管の内壁との間に間隙を有するように設けられた、両端が開口した内筒と、
尿素水溶液を貯蔵する尿素水溶液貯蔵手段と、
前記尿素水溶液貯蔵手段に貯蔵された尿素水溶液を、排気の流れに沿って、前記内筒の内部に噴射添加する噴射手段と、
を含んで構成され、
前記内筒は、前記排気管の横断面上に板面が位置し、該板面に多数の穴が開いた2つの支持板によって支持されることを特徴とする排気浄化装置。 - 前記内筒の内部に噴射添加される尿素水溶液を加熱する加熱手段を有することを特徴とする請求項1に記載の排気浄化装置。
- 前記加熱手段は、前記尿素水溶液貯蔵手段に貯蔵された尿素水溶液を加熱することを特徴とする請求項2に記載の排気浄化装置。
- 前記加熱手段は、前記尿素水溶液貯蔵手段と噴射手段との間の配管内を流通する尿素水溶液を加熱することを特徴とする請求項2又は3に記載の排気浄化装置。
- 前記加熱手段は、電気ヒータであることを特徴とする請求項2乃至4のいずれか1つに記載の排気浄化装置。
- 前記排気管を流通する排気は、エンジンの排気であり、
前記加熱手段は、前記エンジンを冷却する冷却液により尿素水溶液を加熱することを特徴とする請求項2乃至5のいずれか1つに記載の排気浄化装置。 - 前記加熱手段は、前記窒素酸化物還元触媒を通過した排気により尿素水溶液を加熱することを特徴とする請求項2乃至6のいずれか1つに記載の排気浄化装置。
- 前記加熱手段から外気への放熱を抑制する断熱手段が設けられたことを特徴とする請求項2乃至7のいずれか1つに記載の排気浄化装置。
- 前記排気管を流通する排気は、エンジンの排気であり、
前記エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、
前記運転状態検出手段により検出された運転状態に基づいて、前記噴射手段により噴射添加される尿素水溶液の添加流量を制御する添加制御手段と、
を有することを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1つに記載の排気浄化装置。
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