DE112019006019T5 - Reduktionsmittel-einspritzvorrichtung, abgasbehandlungsvorrichtung und abgasbehandlungsverfahren - Google Patents

Reduktionsmittel-einspritzvorrichtung, abgasbehandlungsvorrichtung und abgasbehandlungsverfahren Download PDF

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Abstract

Eine Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 umfasst: eine Wabenstruktur 1, die umfasst: einen säulenförmigen Wabenstrukturabschnitt 11 mit einer Trennwand 15, die mehrere Zellen 14 definiert, die sich jeweils von einer Fluidzuflussstirnfläche 13a zu einer Fluidabflussstirnfläche 13b erstrecken; und mindestens ein Paar Elektrodenabschnitte 12, die dazu ausgelegt sind, den Wabenstrukturabschnitt 11 durch Leiten eines Stroms zu erwärmen, wobei das Paar Elektrodenabschnitte 12 auf einer Seitenfläche des Wabenstrukturabschnitts 11 angeordnet ist, wobei die Wabenstruktur 1 so ausgelegt ist, dass sie Harnstoff in einer wässrigen Harnstofflösung in dem Wabenstrukturabschnitt 11, der durch Leiten des Stroms erwärmt wird, zersetzen kann, um Ammoniak zu erzeugen; einen inneren Zylinder 2, der dazu ausgelegt ist, die Wabenstruktur 1 aufzunehmen, wobei der innere Zylinder 2 einen Trägergaseinleitungsanschluss 22 aufweist, der dazu ausgelegt ist, ein Trägergas auf der Seite der Fluidzuflussstirnfläche 13a einzuleiten; eine Harnstoff-Sprühvorrichtung 3, die dazu ausgelegt ist, die wässrige Harnstofflösung auf die Seite der Fluidzuflussstirnfläche 13a des Wabenstrukturabschnitts 11 zu sprühen, wobei die Harnstoff-Sprühvorrichtung 3 an einem Ende des inneren Zylinders 2 angeordnet ist; und einen äußeren Zylinder 4, der an einer äußeren Umfangsseite des inneren Zylinders 2 angeordnet ist, wobei der äußere Zylinder 4 von dem inneren Zylinder 2 beabstandet ist und einen Trägergaseinleitungsanschluss 41 aufweist, der dazu ausgelegt ist, zu ermöglichen, dass das beförderte Gas von der Seite der Fluidabflussstirnfläche 13b des Wabenstrukturabschnitts 11 einströmt. Ein Strömungsweg, durch den das Trägergas strömt, ist zwischen dem inneren Zylinder 2 und dem äußeren Zylinder 4 ausgebildet. Die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 ist so ausgelegt, dass das Trägergas, das durch den Strömungsweg strömt, durch Wärmeaustausch mit dem durch Leiten des Stroms erwärmten Wabenstrukturabschnitt 11 erwärmt werden kann.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung, eine Abgasbehandlungsvorrichtung und ein Abgasbeha ndlungsverfahren.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Eine Abgasbehandlungsvorrichtung unter Verwendung eines NOx-Katalysators mit selektiver katalytischer Reduktion (SCR-Katalysators) ist zur Bereinigung von Stickoxiden (NOx) in Abgasen, die aus verschiedenen Kraftmaschinen abgegeben werden, bekannt (Patentdokument 1).
    Die in Patentdokument 1 beschriebene Abgasbehandlungsvorrichtung umfasst einen Katalysator (SCR-Katalysator), der an einem Abgasrohr einer Kraftmaschine angebracht ist, und eine Einrichtung zum Einspritzen von Harnstoffwasser in das Abgasrohr zwischen der Kraftmaschine und dem Katalysator und umfasst zudem mehrere Harnstoffwasser-Einspritzeinrichtungen, um Harnstoffwasser mit einem Abgas zu mischen, es mit bestimmten Komponenten in dem Abgas durch den Katalysator reagieren zu lassen, und das Harnstoffwasser mit dem Abgas zu mischen.
    In der in der Patentdokument 1 beschriebenen Abgasbehandlungsvorrichtung muss eine Temperatur des Abgases jedoch bei 200°C oder mehr liegen, um Harnstoff in dem Harnstoffwasser durch die Wärme des Abgases in Ammoniak zu zersetzen. Wenn die Temperatur des Abgases niedriger ist, besteht daher das Problem, dass die Zersetzungsreaktion von Harnstoff schwierig zu bewerkstelligen ist und eine für die NOx-Behandlung erforderliche Menge an Ammoniak unzureichend ist.
  • Daher wurde eine Abgasbehandlungsvorrichtung unter Verwendung einer Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung vorgeschlagen, wobei die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung umfasst: eine Wabenstruktur (eine Wabenheizung) mit einem zylindrischen Wabenstrukturabschnitt und einem Paar Elektrodenabschnitten, die auf einer Seitenfläche des Wabenstrukturabschnitts angeordnet sind; und eine Harnstoff-Sprühvorrichtung, die dazu ausgelegt ist, eine wässrige Harnstofflösung auf den Wabenstrukturabschnitt zu sprühen (Patentdokument 2). Die in der Abgasbehandlungsvorrichtung verwendete Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung kann die wässrige Harnstofflösung auf den Wabenstrukturabschnitt sprühen, der durch Anlegen einer Spannung an die Elektrodenabschnitte elektrisch erwärmt wurde, und den Harnstoff in der wässrigen Harnstofflösung in der Wabenstruktur zersetzen, um effizient Ammoniak zu produzieren.
    Das Sprühen der wässrigen Harnstofflösung auf den elektrisch erhitzten Wabenstrukturabschnitt verringert jedoch die Temperatur eines Bereichs, in dem die wässrige Harnstofflösung aufgesprüht wird, wodurch eine Temperaturunregelmäßigkeit in dem Wabenstrukturabschnitt erzeugt wird. Infolgedessen werden tendenziell Harnstoffablagerungen (durch den Harnstoff verursachte Kristalle) in einem Bereich niedrigerer Temperatur des Wabenstrukturabschnitts erzeugt. Die Erzeugung der Harnstoffablagerungen blockiert einen Strömungsweg in dem Wabenstrukturabschnitt, was die Zersetzung des Harnstoffs zu Ammoniak hemmt.
  • Daher wurden Abgasbehandlungsvorrichtungen unter Verwendung einer Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung vorgeschlagen, die mit einem Trägergas-Einlassanschluss zwischen der Harnstoff-Einspritzvorrichtung und der Wabenstruktur versehen ist (Patentdokumente 3 und 4). Gemäß der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung, die in jeder Abgasbehandlungsvorrichtung verwendet wird, kann ein Trägergas, das aus dem Trägergas-Einlassanschluss eingeleitet wird, den Gasfluss in dem Wabenstrukturabschnitt erleichtern. Selbst dann, wenn die wässrige Harnstofflösung auf den Wabenstrukturabschnitt gesprüht wird, kann daher ein Temperaturunterschied in dem Wabenstrukturabschnitt verringert werden, wodurch die Erzeugung von Harnstoffablagerungen unterdrückt wird.
  • ENTGEGENHALTUNGSLISTE
  • Patentdokument(e)
    • [Patentdokument 1] Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2007-327377 A
    • [Patentdokument 2] WO 2014/148506
    • [Patentdokument 3] Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2017-180298 A
    • [Patentdokument 4] Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2017-180299 A
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG VON DER ERFINDUNG ZU LÖSENDE PROBLEME
  • Eine NOx-Menge in einem Abgas andern sich abhängig von den Fahrmustern von Kraftfahrzeugen. Wenn die Menge an NOx in dem Abgas höher ist, wird eine Menge an Ammoniak erhöht, die zur Bereinigung von NOx erforderlich ist, so dass eine Menge der eingesprühten wässrigen Harnstofflösung erhöht werden muss. Die erhöhte Menge an eingesprühter wässriger Harnstofflösung verringert die Temperatur der Wabenstruktur, so dass eine elektrische Leistung zum Durchleiten eines Stroms erhöht werden muss. Bei den herkömmlichen Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtungen, wie sie in den Patentdokumenten 2 bis 4 beschrieben sind, führt eine erhöhte elektrische Leistung für die Stromleitung jedoch zu einer großen Temperaturspanne in dem Wabenstrukturabschnitt, so dass der Wabenstrukturabschnitt beschädigt werden kann.
    Ferner treten bei den herkömmlichen Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtungen, wie sie in den Patentdokumenten 3 und 4 beschrieben sind, Harnstoffablagerungen tendenziell weniger auf, wenn die Temperatur des Trägergases höher ist, aber um die Temperatur des Trägergases zu erhöhen, muss ein Heizmittel separat bereitgestellt werden.
  • Die vorliegende Erfindung wurde ersonnen, um die obigen Probleme zu lösen. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Reduktionsmittel-Einspritzungsvorrichtung zu schaffen, die Harnstoffablagerungen unterdrücken kann und selbst dann verhindern kann, dass die Wabenstruktur beschädigt wird, wenn die elektrische Leistung für die Stromleitung erhöht wird.
    Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es zudem, eine Abgasbehandlungsvorrichtung und ein Abgasbehandlungsverfahren zu schaffen, die eine erforderliche Menge an Ammoniak aus der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung einspritzen können, um NOx zu bereinigen, selbst wenn eine Menge an NOx in dem Abgas höher ist.
  • MITTEL ZUM LÖSEN DES PROBLEMS
  • Als Ergebnis intensiver Untersuchungen für eine Struktur einer Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung mit einer Wabenstruktur, bei der mindestens ein Paar Elektrodenabschnitte auf einer Seitenfläche eines Wabenstrukturabschnitts angeordnet ist, haben sich die Erfinder der vorliegenden Erfindung auf die Tatsache konzentriert, dass eine Temperatur des Inneren der Wabenstruktur dann, wenn die elektrische Leistung für die Stromleitung erhöht wird, lokal um die Elektrodenabschnitte (einem äußerem Umfangsbereich der Wabenstruktur) höher ist, und sie haben festgestellt, dass der äußere Umfangsbereich der Wabenstruktur mit einem Strömungsweg versehen ist, und die Wärme des äußeren Umfangsbereichs der Wabenstruktur mit einem Trägergas ausgetauscht wird, wodurch die Temperatur des Trägergases steigen kann, während die Temperatur des äußeren Umfangsbereichs der Wabenstruktur sinkt, um die Temperaturverteilung in der Wabenstruktur zu verringern. Basierend auf den Erkenntnissen haben sie die vorliegende Erfindung fertiggestellt.
  • Somit bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung, die umfasst:
    • eine Wabenstruktur, die umfasst:
      • einen säulenförmigen Wabenstrukturabschnitt mit einer Trennwand, die mehrere Zellen definiert, die sich jeweils von einer Fluidzuflussstirnfläche zu einer Fluidabflussstirnfläche erstrecken; und
      • mindestens ein Paar Elektrodenabschnitte, die dazu ausgelegt sind, den Wabenstrukturabschnitt durch Leiten eines Stroms zu erwärmen, wobei das Paar Elektrodenabschnitte auf einer Seitenfläche des Wabenstrukturabschnitts angeordnet ist, wobei die Wabenstruktur so ausgelegt ist, dass sie Harnstoff in einer wässrigen Harnstofflösung in dem Wabenstrukturabschnitt, der durch Leiten des Stroms erwärmt wird, zersetzen kann, um Ammoniak zu erzeugen;
    • einen inneren Zylinder, der dazu ausgelegt ist, die Wabenstruktur aufzunehmen, wobei der innere Zylinder einen Trägergas-Einlassanschluss aufweist, der dazu ausgelegt ist, ein Trägergas auf der Seite der Fluidzuflussstirnfläche einzuleiten;
    • eine Harnstoff-Sprühvorrichtung, die dazu ausgelegt ist, die wässrige Harnstofflösung auf die Fluidzuflussstirnfläche des Wabenstrukturabschnitts zu sprühen, wobei die Harnstoff-Sprühvorrichtung an einem Ende des inneren Zylinders angeordnet ist; und
    • einen äußeren Zylinder, der auf einer äußeren Umfangsseite des inneren Zylinders angeordnet ist, wobei der äußere Zylinder von dem inneren Zylinder beabstandet ist und einen Trägergaseinleitungsanschluss aufweist, der dazu ausgelegt ist, zu ermöglichen, dass das beförderte Gas von der Seite der Fluidabflussstirnfläche des Wabenstrukturabschnitts einströmt,
    • wobei ein Strömungsweg, durch den das Trägergas strömt, zwischen dem inneren Zylinder und dem äußeren Zylinder ausgebildet ist und die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung so ausgelegt ist, dass das Trägergas, das durch den Strömungsweg fließt, durch Wärmeaustausch mit dem durch Stromleitung erwärmten Wabenstrukturabschnitt erwärmt werden kann.
  • Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Abgasbehandlungsvorrichtung, die umfasst:
    • ein Abgasrohr, durch das ein Abgas strömt;
    • die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung, die dazu ausgelegt ist, Ammoniak in die Abgasrohr einzuspritzen; und
    • einen SCR-Katalysator, der an dem Auslasszylinder auf einer stromabwärtigen Seite einer Position angeordnet ist, an der das Ammoniak eingespritzt wird.
  • Weiterhin bezieht sich die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Behandeln eines Abgases, wobei das Verfahren ein Einspritzen von erzeugtem Ammoniak in das Abgas durch die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung und ein Reduzieren des mit dem Ammoniak vermischten Abgases durch einen SCR-Katalysator umfasst.
  • WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung zu schaffen, die Harnstoffablagerungen unterdrücken kann und selbst dann verhindern kann, dass die Wabenstruktur beschädigt wird, wenn die elektrische Leistung für die Stromleitung erhöht wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es auch möglich, eine Abgasbehandlungsvorrichtung und ein Abgasbehandlungsverfahren zu schaffen, die selbst dann eine erforderliche Menge Ammoniak aus der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung einspritzen können, um das NOx zu bereinigen, wenn eine Menge an NOx in einem Abgas erhöht wird.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt;
    • 2 ist eine schematische Draufsicht, die eine Fluidzuflussstirnfläche einer Wabenstruktur zeigt, die eine Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung bildet;
    • 3 ist eine schematische Querschnittsansicht, die einen Zustand eines inneren Zylinders, der eine Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung bildet, auf einer Seite einer Harnstoff-Sprühvorrichtung zeigt;
    • 4 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt;
    • 5 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine Abgasbehandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt;
    • 6 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine Abgasbehandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung zeigt; und
    • 7 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine weitere Abgasbehandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen einer Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung, einer Abgasbehandlungsvorrichtung und eines Verfahrens zum Behandeln eines Abgases gemäß der vorliegenden Erfindung speziell unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die folgenden Ausführungsformen beschränkt ist und dass solche, bei denen Änderungen, Verbesserungen und dergleichen basierend auf dem Wissen von Fachleuten in geeigneter Weise zu den folgenden Ausführungsformen hinzugefügt sind, ohne vom Geist der vorliegenden Erfindung abzuweichen, unter den Umfang der vorliegenden Erfindung fallen. Beispielsweise können einige Komponenten aus allen in den Ausführungsformen dargelegten Komponenten entfernt werden oder Komponenten verschiedener Ausführungsformen können nach Bedarf kombiniert werden.
  • <Ausführungsform 1>
  • Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung
  • 1 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt (eine schematische Querschnittsansicht parallel zu einer Ausdehnungsrichtung von Zellen eines Wabenstrukturabschnitts). Wie es in 1 gezeigt ist, umfasst eine Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform: eine Wabenstruktur 1; einen inneren Zylinder 2, der dazu ausgelegt ist, die Wabenstruktur 1 aufzunehmen; eine Harnstoff-Sprühvorrichtung 3, die an einem Ende des inneren Zylinders 2 angeordnet ist; und einen äußeren Zylinder 3, der an einer äußeren Umfangsseite des inneren Zylinders 2 angeordnet ist und von dem inneren Zylinder 2 beabstandet ist.
  • Die Wabenstruktur 1 umfasst: einen säulenförmigen Wabenstrukturabschnitt 11 mit einer Trennwand 15, die mehrere Zellen 14 definiert, die sich von einer Fluidzuflussstirnfläche 13a zu einer Fluidabflussstirnfläche 13b erstrecken; und mindestens ein Paar Elektrodenabschnitte 12, die da, die dazu ausgelegt sind, den Wabenstrukturabschnitt 11 durch Durchleiten eines Stroms zu erwärmen, wobei die Elektrodenabschnitte 12 auf einer Seitenfläche des Wabenstrukturabschnitts 11 angeordnet sind. Die Zellen 14 des Wabenstrukturabschnitts 11 bilden einen Strömungsweg.
    Bei Verwendung hierin bedeutet „Fluidzuflussstirnfläche 13a“ eine Stirnfläche mit einem Fluidzuflussanschluss und „Fluidabflussstirnfläche 13b“ eine Stirnfläche mit einem Fluidabflussanschluss. Ferner bedeutet bei Verwendung hierin ein „Paar Elektrodenabschnitte 12“, dass in einem Querschnitt senkrecht zur Ausdehnungsrichtung der Zellen 14 des Wabenstrukturabschnitts 11ein Elektrodenabschnitt 12 auf einer gegenüberliegenden Seite des anderen Elektrodenabschnitts 12 über die Mitte des Wabenstrukturabschnitts 11 hinweg angeordnet ist.
    Der Elektrodenabschnitt 12 ist in einer Bandform entlang der Ausdehnungsrichtung der Zellen 14 ausgebildet. Ein Paar Elektrodenabschnitte 12 ist bevorzugt, jedoch sind Paare Elektrodenabschnitte 12 im Hinblick auf das Erhöhen der Wärmeerzeugungseffizienz des Wabenstrukturabschnitts 11 möglich.
  • Der innere Zylinder 2 hat einen einlassseitigen Endabschnitt und einen auslassseitigen Endabschnitt. Der einlassseitige Endabschnitt, der ein Ende ist, ist mit der Harnstoff-Sprühvorrichtung 3 versehen, und das auslassseitige Ende, das das andere Ende ist, ist mit einem Einspritzanschluss 21 zum Einspritzen von Ammoniak versehen. Ferner weist der innere Zylinder 2 einen Trägergaseinleitungsanschluss 22 auf, der dazu ausgelegt ist, ein Trägergas auf der Seite der Fluidzuflussstirnfläche 13a des Wabenstrukturabschnitts 11, d. h. zwischen der Wabenstruktur 1 und der Harnstoff-Sprühvorrichtung 3, einzuleiten. Nicht einschränkende Beispiele für das Trägergas, das verwendet werden kann, umfassen Abgase, Einlassgase und Luft aus anderen Luftzufuhrvorrichtungen (Verdichter und dergleichen, die an großen Fahrzeugen und dergleichen montiert sind).
    Die in dem inneren Zylinder 2 aufgenommene Wabenstruktur 1 wird über einen Isolationshalteabschnitt 23 in dem inneren Zylinder 2 fixiert (gehalten). Dadurch kann eine Isolierung zwischen der Wabenstruktur 1 und dem äußeren Zylinder 2 sichergestellt werden. Es kann einen Abschnitt (Raum) zwischen der Wabenstruktur 1 und dem inneren Zylinder 2 geben, in dem der Isolationshalteabschnitt 23 nicht angeordnet ist, aber es kann auch der gesamte Außenumfang der Wabenstruktur 1 mit dem Isolationshalteabschnitt 23 bedeckt sein, um eine Wärmeaustauscheffizienz zu erhöhen, wenn das Trägergas über den Außenumfang des inneren Zylinders 2 strömt. Ein Material des Isolationshalteabschnitts 23 ist nicht besonders eingeschränkt, solange es ausgezeichnete Isoliereigenschaften und eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit aufweist, aber Aluminiumoxid ist bevorzugt.
  • Die Harnstoff-Sprühvorrichtung 3 ist an einem Ende (einlassseitigen Endabschnitt) des inneren Zylinders 2 angeordnet und sprüht eine wässrige Harnstofflösung auf den Wabenstrukturabschnitt 11 auf der Seite der Fluidzuflussstirnfläche 13a. Die wässrige Harnstofflösung ist ein Grundstoff für Ammoniak, das durch die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform erzeugt wird.
  • Der äußere Zylinder 4 hat einen einlassseitigen Endabschnitt auf der Seite der Fluidabflussstirnfläche 13b des Wabenstrukturabschnitts 11 und einen Auslassseitenendabschnitt auf der Seite Fluidzuflussstirnfläche 13a des Wabenstrukturabschnitt 11. Der Einlassseitenendabschnitt ist mit einem Trägergaseinleitungsanschluss 41 versehen, der so ausgelegt ist, dass das Trägergas von Seite der Fluidabflussstirnfläche 13b des Wabenstrukturabschnitts 11 einströmen kann, und der auslassseitige Endabschnitt ist mit der Harnstoff-Sprühvorrichtung 3 versehen. In dem äußeren Zylinder 4 ist der innere Zylinder 2 eingesetzt und der äußere Zylinder 4 ist an der äußeren Umfangsseite des inneren Zylinders 2 von dem inneren Zylinder 2 beabstandet angeordnet. Zwischen dem inneren Zylinder und dem äußeren Zylinder 4 ist ein Strömungsweg ausgebildet, durch den das Trägergas 2 strömt.
  • In der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform, die die obige Struktur aufweist, wird Harnstoff in der aus der Harnstoff-Sprühvorrichtung 3 gesprühten wässrigen Harnstofflösung in dem Wabenstrukturabschnitt 11, der durch Leiten des Stroms erwärmt wird, zersetzt, um Ammoniak (ein Reduktionsmittel) zu erzeugen und das Ammoniak wird über den Einspritzanschluss 21 nach außen eingespritzt. In diesem Fall kann das Einleiten des Trägergases in den Wabenstrukturabschnitt 11 auf der Seite der Fluidzuflussstirnfläche 13a den Fluss des Gases von der Fluidzuflussstirnfläche 13a zu der Seite der Fluidabflussstirnfläche 13b in dem Wabenstrukturabschnitt 11 erzeugen. Dies verhindert, dass die Wärme und die wässrige Harnstofflösung in dem Wabenstrukturabschnitt 11 stagnieren, wodurch Harnstoffablagerungen unterdrückt werden.
    Ferner wird das Trägergas aus dem Trägergaseinleitungsanschluss 41 zugeführt und durch Austauschen der Wärme mit dem Wabenstrukturabschnitt 11, der durch Stromleitung erwärmt wird, erwärmt, während es durch den Strömungsweg zwischen dem inneren Zylinder 2 und dem äußeren Zylinder 4 strömt. Das Trägergas kann zuvor durch Wärmeaustausch erwärmt und in den Wabenstrukturabschnitt 11 eingeleitet werden, so dass die Wirkung der Unterdrückung der Harnstoffablagerungen kostengünstig und leicht weiter verbessert werden kann.
    Wenn die elektrische Leistung für die Stromleitung erhöht wird, ist ferner tendenziell eine Temperatur des äußeren Umfangsbereichs des Wabenstrukturabschnitts 11 lokal höher, aber die Temperatur des äußeren Umfangsbereichs des Wabenstrukturabschnitts 11 kann durch Wärmeaustausch mit dem Trägergas gesenkt werden. Daher kann die Temperaturverteilung verringert werden, während die Temperatur innerhalb des Wabenstrukturabschnitts 11 erhöht wird, so dass jegliche Beschädigung des Wabenstrukturabschnitts 11 verhindert und eine Menge an gesprühtem Ammoniak erhöht werden kann.
  • Nachfolgend wird die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform für jede Komponente im Einzelnen beschrieben.
  • Wabenstruktur 1
  • Die Wabenstruktur 1 umfasst den Wabenstrukturabschnitt 11 und die Elektrodenabschnitte 12.
    Die Trennwand 15, die den Wabenstrukturabschnitt 11 bildet, kann vorzugsweise aus Keramik bestehen, obwohl sie nicht speziell darauf beschränkt ist. Insbesondere enthält die Trennwand 15 vorzugsweise ein Silicium-Siliciumcarbid-Verbundmaterial oder Siliciumcarbid als Hauptkomponente und bevorzugter ein Silicium-Siliciumcarbid-Verbundmaterial als Hauptkomponente. Die Verwendung eines solchen Materials kann ermöglichen, dass der spezifische elektrische Widerstand des Wabenstrukturabschnitts 11 durch Ändern eines Verhältnisses von Siliciumcarbid und Silicium leicht auf einen beliebigen Wert eingestellt werden kann.
    Bei Verwendung hierin bedeutet „Silicium-Siliciumcarbid-Verbundmaterial“ als Hauptkomponente ein Material, das Siliciumcarbid-Teilchen als Aggregat und metallisches Silicium als Bindematerial zum Binden von Siliciumcarbid-Teilchen enthält. Bei dem Silicium-Siliciumcarbid-Verbundmaterial ist es bevorzugt, dass mehrere Siliciumcarbid-Teilchen durch metallisches Silicium verbunden sind. Ferner bedeutet „Siliciumcarbid“ als Hauptkomponente ein Material, das durch Sintern von Siliciumcarbid-Teilchen gebildet wird. Ferner bedeutet „Hauptkomponente“ bei Verwendung hierin eine Komponente, die in einer Menge von 90 Massen-% oder mehr enthalten ist.
  • Der Wabenstrukturabschnitt 11 hat vorzugsweise einen spezifischen elektrischen Widerstand von 0,01 bis 500 Ωcm und bevorzugter von 0,1 bis 200 Ωcm, obwohl er nicht speziell darauf beschränkt ist. Die Steuerung des spezifischen elektrischen Widerstands auf ein solches Niveau kann den Wabenstrukturabschnitt 11 durch Anlegen einer Spannung an mindestens ein Paar Elektrodenabschnitte 12 effektiv erwärmen. Insbesondere liegt der spezifische elektrische Widerstand vorzugsweise in dem obigen Bereich, um den Wabenstrukturabschnitt 11 unter Verwendung einer Stromquelle mit einer Spannung von 12 bis 200 V auf 160 bis 600 °C zu erwärmen.
    Der spezifische elektrische Widerstand des Wabenstrukturabschnitts 11 ist ein Wert bei 25°C. Der spezifische elektrische Widerstand des Wabenstrukturabschnitts 11 ist ein Wert, der durch ein Vierleiterverfahren gemessen wird.
  • Der Wabenstrukturabschnitt 11 hat vorzugsweise einen Oberflächeninhalt pro Volumeneinheit von 5 cm2/cm3 oder mehr und bevorzugter 8 bis 45 cm2/cm3 und besonders bevorzugt 20 bis 40 cm2/cm3. Der Oberflächeninhalt von 5 cm2/cm3 oder mehr kann es ermöglichen, eine ausreichende Kontaktfläche mit der wässrigen Harnstofflösung sicherzustellen, wodurch eine Behandlungsrate der wässrigen Harnstofflösung, d. H. eine erzeugte Ammoniakmenge (eine Erzeugungsrate), angemessen gesteuert wird. Der Oberflächeninhalt des Wabenstrukturabschnitts 11 ist ein Flächeninhalt der Oberflächen der Trennwand 15 des Wabenstrukturabschnitts 11.
  • Die Trennwand 15 des Wabenstrukturabschnitts 11 hat vorzugsweise eine Dicke von 0,06 bis 1,5 mm und bevorzugter von 0,10 bis 0,80 mm. Die Dicke der Trennwand 15 von 1,5 mm oder weniger kann einen Druckverlust verringern, wodurch die Behandlungsrate der wässrigen Harnstofflösung, d. h. die Menge des erzeugten Ammoniaks (Erzeugungsrate), angemessen gesteuert wird. Die Dicke der Trennwand 15 von 0,06 mm oder mehr kann verhindern, dass der Wabenstrukturabschnitt 11 durch einen Wärmeschock zerstört wird, der durch elektrische Leitungserwärmung verursacht wird.
    Wenn die Form jeder Zelle 14 (die Form des Querschnitts senkrecht zu der Ausdehnungsrichtung der Zelle 14) kreisförmig ist, wie es in 2 gezeigt ist, bedeutet die Dicke der Trennwand 15 eine Dicke eines Abschnitts, in dem „ein Abstand zwischen den Zellen 14 am kürzesten ist (eines Abschnitts, in dem die Dicke der Trennwand 15 geringer ist)“.
    Die Zellen 14 haben vorzugsweise eine Dichte von 7 bis 140 Zellen/cm2 und bevorzugter von 15 bis 120 Zellen/cm2. Die Dichte der Zellen 14 von 7 Zellen/cm2 oder mehr kann es ermöglichen, eine ausreichende Kontaktfläche mit der wässrigen Harnstofflösung sicherzustellen, wodurch die Behandlungsrate der wässrigen Harnstofflösung, d. h. die Menge des erzeugten Ammoniaks (Erzeugungsrate), angemessen gesteuert wird. Die Dichte der Zellen von 14 von 140 Zellen/cm2 oder weniger kann den Druckverlust verringern, wodurch die Behandlungsrate der wässrigen Harnstofflösung, d. h. die Menge des erzeugten Ammoniaks (Erzeugungsrate), angemessen gesteuert wird.
  • Der Wabenstrukturabschnitt 11 kann einige Zellen 14 aufweisen, die mit verstopften Abschnitten an dem Endabschnitt auf der Seite der Fluidzuflussstirnfläche 13a versehen sind. Das Material der verstopften Abschnitte ist vorzugsweise das gleiche wie das der Trennwand 15, es können jedoch auch andere Materialien verwendet werden.
  • Eine Form der Fluidzuflussstirnfläche 13a kann neben der in 2 gezeigten quadratischen Form verschiedene Formen aufweisen, wie beispielsweise ein Rechteck oder andere Polygone, einen Kreis und eine Ellipse. Ferner ist die Form der Fluidzuflussstirnfläche 13a die gleiche wie die der Fluidabflussstirnfläche 13b und vorzugsweise die Form des Querschnitts senkrecht zu der Ausdehnungsrichtung der Zellen 14.
  • Die Größe des Wabenstrukturabschnitts 11 ist derart, dass die Flächeninhalte der Fluidzuflussstirnfläche 13a und der Fluidabflussstirnfläche 13b jeweils 50 bis 10000 mm2 und bevorzugter 100 bis 8000 mm2 betragen.
  • Die Form jeder Zelle 14 in dem Querschnitt senkrecht zur Ausdehnungsrichtung der Zelle 14 ist neben der in 2 gezeigten Kreisform vorzugsweise eine Ellipse, ein Viereck, ein Sechseck, ein Achteck oder eine Kombination davon. Eine solche Form kann den Druckverlust verringern, wenn das Abgas durch den Wabenstrukturabschnitt 11 geleitet wird, wodurch der Harnstoff in der wässrigen Harnstofflösung effizient zersetzt wird.
  • Jeder Elektrodenabschnitt 12 ist in einer Bandform entlang der Ausdehnungsrichtung der Zellen 14 ausgebildet, kann jedoch in einer weiteren Breite ausgebildet sein, die sich in der Umfangsrichtung des Wabenstrukturabschnitts 11 erstreckt. Ferner ist in dem Querschnitt senkrecht zur Ausdehnungsrichtung der Zellen 14 ein Elektrodenabschnitt 12 auf der gegenüberliegenden Seite des anderen Elektrodenabschnitts 12 angeordnet, wobei die Mitte des Wabenstrukturabschnitts 11 dazwischen liegt. Eine solche Konfiguration kann ermöglichen, dass jeder Vorstrom des Stroms, der in dem Wabenstrukturabschnitt 11 fließt, unterdrückt wird, wenn die Spannung zwischen dem Paar Elektrodenabschnitten 12 angelegt wird, so dass die Vorerwärmung der Wärmeerzeugung in dem Wabenstrukturabschnitt 11 unterdrückt werden kann.
    Ferner erwärmt das Anlegen der Spannung an die Elektrodenabschnitte 12 vorzugsweise den Wabenstrukturabschnitt 11 derart, dass die Temperatur der Fluidzuflussstirnfläche 13a 900 °C oder weniger beträgt. Die Temperatur des Wabenstrukturabschnitts 11 kann kontrolliert werden, indem direkt ein Temperaturmessmittel an dem Wabenstrukturabschnitt 11 bereitgestellt wird. Alternativ ist es auch möglich, die Temperatur des Wabenstrukturabschnitts 11 aus einer Temperatur des Trägergases, einer Durchflussmenge des Trägergases und der Menge der gesprühten wässrigen Harnstofflösung abzuschätzen und zu steuern. Wenn ferner die Betriebsbedingungen der Kraftmaschine kartiert sind, kann die Kartierung durch die Messung der Temperatur des Trägergases und der Durchflussmenge Trägergases ersetzt werden.
  • Das Material der Elektrodenabschnitte 12 ist vorzugsweise das gleiche wie das der Hauptkomponente der Trennwand 15 des Wabenstrukturabschnitts 11, obwohl es nicht speziell darauf beschränkt ist.
    Die Elektrodenabschnitte 12 haben vorzugsweise einen spezifischen elektrischen Widerstand von 0,0001 bis 100 Ωcm und bevorzugter von 0,001 bis 50 Ωcm. Der spezifische elektrische Widerstand der Elektrodenabschnitte 12 in einem solchen Bereich kann es dem Paar Elektrodenabschnitten 12 ermöglichen, effektiv die Rolle von Elektroden in einem Abgasrohr zu spielen, durch das ein Abgas mit erhöhter Temperatur strömt. Der spezifische elektrische Widerstand der Elektrodenabschnitte 12 ist vorzugsweise niedriger als der des Wabenstrukturabschnitts 11.
    Der spezifische elektrische Widerstand der Elektrodenabschnitte 12 ist ein Wert bei 400 °C. Der spezifische elektrische Widerstand der Elektrodenabschnitte 12 ist ein Wert, der durch das Vierleiterverfahren gemessen wird.
  • Das Paar Elektrodenabschnitte 12 kann mit vorstehenden Elektrodenanschlussabschnitten 16 zum Anschließen von elektrischen Verdrahtungen 18 von außen versehen sein. Das Material der vorstehenden Elektrodenanschlussabschnitte 16 kann leitfähige Keramik oder ein Metall sein. Ferner ist das Material der vorstehenden Elektrodenanschlussabschnitte 16 vorzugsweise das gleiche wie das der Elektrodenabschnitte 12. Ferner ist es bevorzugt, dass jeder vorstehende Elektrodenanschlussabschnitt 16 und ein Verbinder 17 des inneren Zylinders 2 durch die elektrische Verdrahtung 18 verbunden sind.
  • Der Wabenstrukturabschnitt 11 kann mit einem Harnstoffhydrolysekatalysator versehen sein. Durch Verwendung des Harnstoffhydrolysekatalysators kann Ammoniak effizient aus Harnstoff hergestellt werden. Beispiele für den Harnstoffhydrolysekatalysator umfassen Titanoxid und dergleichen.
  • Innerer Zylinder 2
  • Der innere Zylinder 2 besteht vorzugsweise aus Edelstahl oder dergleichen, obwohl er nicht speziell darauf beschränkt ist.
    Um den inneren Zylinder 2 an die Wabenstruktur 1 anzupassen, hat der innere Zylinder 2 vorzugsweise die gleiche Form wie der Wabenstrukturabschnitt 11 im Querschnitt orthogonal zur Ausdehnungsrichtung der Zellen 14. Bei Verwendung hierin bedeutet „die gleiche Art von Form“, dass dann, wenn die Form des inneren Zylinders 2 quadratisch ist, die Form des Wabenstrukturabschnitts 11 ebenfalls quadratisch ist und dann, wenn die Form des inneren Zylinders 2 rechteckig ist, die Form des Wabenstrukturabschnitts 11 ebenfalls rechteckig ist. Wenn beispielsweise die Formen des inneren Zylinders 2 und des Wabenstrukturabschnitts 11 vom gleichen Typ sind und ihre Formen rechteckig sind, ist es nicht erforderlich, dass beide das gleiche Verhältnis von Länge zu Breite haben.
  • Es ist bevorzugt, dass ein Ende (einlassseitiger Endabschnitt) des inneren Zylinders 2, an dem die Harnstoff-Sprühvorrichtung 3 angeordnet ist, eine Schließfläche 24 aufweist, die der Fluidzuflussstirnfläche 13a des Wabenstrukturabschnitts 11 gegenüberliegt, und mit dem Trägergaseinleitungsanschluss 22 auf der Seite der Schließfläche 24 versehen ist. Die Bereitstellung der Trägergaseinleitungsanschluss 22 auf der Seite der Schließfläche 24 kann zu einem einfachen und gleichmäßigen Fluss des Trägergases von der Seite der Fluidzuflussstirnfläche13a zu der Seite der Fluidabflussstirnfläche 13b führen und verhindern, dass eine Sprührichtung der aus der Harnstoff-Sprühvorrichtung 3 gesprühten wässrigen Harnstofflösung stört. Daher ist es möglich, die Menge der gesprühten wässrigen Harnstofflösung zu erhöhen und gleichzeitig die Wirkung der Unterdrückung der Harnstoffablagerungen zu verbessern.
  • Wie es in 3 gezeigt ist, ist ferner in dem Querschnitt zwischen dem Wabenstrukturabschnitt 11 und der Harnstoff-Sprühvorrichtung 3, der senkrecht zu einer Längsrichtung des inneren Zylinders 2 ist, vorzugsweise eine Projektionsebene des inneren Zylinders 2 von der Seite der Harnstoff-Sprühvorrichtung 3 aus betrachtet derart, dass mehrere Trägergaseinleitungsanschlüsse 22 konzentrisch um die Harnstoff-Sprühvorrichtung 3 herum bereitgestellt sind. Durch derartiges Ausbilden der mehreren Trägergaseinleitungsanschlüsse 22 kann das Trägergas auf eine ausgewogene Weise auf der Seite 13a der Fluidzuflussstirnfläche eingeleitet werden, so dass die wässrige Harnstofflösung reibungsloser in den Wabenstrukturabschnitt 11 eingespeist werden kann.
    Die Form jedes Trägergaseinleitungsanschlusses 22 ist vorzugsweise eine Kreisform, wie sie in 3 gezeigt ist, aber sie kann verschiedene Formen wie ein Quadrat, ein Rechteck, andere Polygone und eine Ellipse sein.
  • Harnstoff-Sprühvorrichtung 3
  • Der Typ der Harnstoff-Sprühvorrichtung 3 ist nicht besonders eingeschränkt, solange sie die wässrige Harnstofflösung sprühen kann. Sie ist vorzugsweise vom Typ Elektromagnet, Typ Ultraschall, Typ piezoelektrischer Aktor oder ein Typ Zerstäuber. Mittels dieser kann die wässrige Harnstofflösung leicht in Form von Nebeln gesprüht werden. Ferner kann unter diesen die Verwendung des Typs Elektromagnet, des Typs Ultraschall oder des Typs piezoelektrischer Aktor ermöglichen, dass die wässrige Harnstofflösung in Form von Nebeln ohne Verwendung von Luft gesprüht wird. Dies kann die Notwendigkeit des Erhitzens der zum Sprühen der wässrigen Harnstofflösung verwendeten Luft beseitigen, wodurch eine Menge an Heizenergie verringert werden kann. Da das Einspritzvolumen verringert wird, indem keine Luft zum Sprühen verwendet wird, kann ferner eine Geschwindigkeit verringert werden, mit der die wässrige Harnstofflösung in Form von Nebeln durch den Wabenstrukturabschnitt 11 gelangt, was zu einer verlängerten Reaktionszeit führt, die für die Zersetzung erforderlich ist. Die Größe (der Durchmesser) jedes Tröpfchens der wässrigen Harnstofflösung, die aus dem Harnstoffsprühgerät 3 gesprüht wird, beträgt vorzugsweise 0,3 mm oder weniger. Wenn die Größe des Tröpfchens größer als 0,3 mm ist, kann es schwierig sein, es zu verdampfen, wenn es in dem Wabenstrukturabschnitt 11 erhitzt wird.
  • Hier ist die Harnstoff-Sprühvorrichtung 3 vom Typ Elektromagnet eine Vorrichtung, die die wässrige Harnstofflösung durch Vibrieren des Elektromagneten oder Bewegen eines Kolbens durch ein elektrisches Feld unter Verwendung des Elektromagneten sprüht. Ferner ist die Harnstoff-Sprühvorrichtung 3 vom Typ Ultraschall eine Vorrichtung, die die wässrige Harnstofflösung in Form von Nebeln durch Ultraschallvibration sprüht. Darüber hinaus ist die Harnstoff-Sprühvorrichtung 3 vom Typ piezoelektrischer Aktor eine Vorrichtung, die die wässrige Harnstofflösung durch Vibration eines piezoelektrischen Elements in Form von Nebeln sprüht. Darüber hinaus ist die Harnstoff-Sprühvorrichtung 3 vom Typ Zerstäuber eine Vorrichtung, die die Lösung sprüht, indem sie die Lösung mit einem Rohr ansaugt und die bis zu einer Öffnung an der Rohrspitze gesaugte Lösung in Form von Nebeln mittels Luft ausbläst. Die Harnstoff-Sprühvorrichtung 3 vom Typ Zerstäuber kann eine Vorrichtung sein, bei der mehrere kleine Öffnungen an der Spitze der Düse ausgebildet sind und die Lösung in Form von Nebeln aus den Öffnungen gesprüht wird.
  • Bei der Harnstoff-Sprühvorrichtung 3 ist die Sprührichtung (die Richtung, in der die Tröpfchen austreten) der wässrigen Harnstofflösung vorzugsweise auf Seite der Fluidzuflussstirnfläche 13a des Wabenstrukturabschnitts 11 gerichtet, um das Sprühen der wässrigen Harnstofflösung auf der Seite der Fluidzuflussstirnfläche 13a des Wabenstrukturabschnitts 11 zu ermöglichen.
  • Äußerer Zylinder 4
  • Der äußere Zylinder 4 kann aus einem beliebigen Material bestehen, einschließlich Edelstahl und dergleichen, ohne darauf speziell beschränkt zu sein. Eine Form des äußeren Zylinders 4 ist nicht speziell eingeschränkt, solange der äußere Zylinder 4 zwischen dem inneren Zylinder 2 und dem äußeren Zylinder 4 einen Strömungsweg bilden kann, durch den das Trägergas strömt. Es ist bevorzugt, dass im Querschnitt senkrecht zur Ausdehnungsrichtung der Zellen 14 die Form vom gleichen Typ ist wie die des inneren Zylinders 2.
  • Eine Länge des äußeren Zylinders 4 ist nicht speziell beschränkt. Sie ist vorzugsweise größer als die Länge des Wabenstrukturabschnitts 11, um einen ausreichenden Strömungsweg für den Wärmeaustausch mit dem Wabenstrukturabschnitt 11 sicherzustellen.
  • Als Nächstes wird das Verfahren zum Herstellen der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform im Einzelnen beschrieben.
  • Verfahren zum Herstellen der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 (2-1) Herstellung der Wabenstruktur 1
  • Wenn die Wabenstruktur 1 aus Keramik besteht, ist das Verfahren zum Herstellen der Wabenstruktur 1 vorzugsweise wie folgt:
    • Das Verfahren zum Herstellen der Wabenstruktur 1 umfasst: einen Herstellungsschritt eines geformten Wabenkörpers; einen Herstellungsschritt eines getrockneten Wabenkörpers; einen Herstellungsschritt eines Wabenkörpers mit ungebrannten Elektroden und einen Herstellungsschritt einer Wabenstruktur.
  • (Herstellungsschritt des geformten Wabenkörpers)
  • Der Schritt eines geformten Wabenkörpers umfasst vorzugsweise das Extrudieren eines Bildungs-Rohmaterials, um einen geformten Wabenkörper herzustellen. Das Bildungs-Rohmaterial enthält vorzugsweise ein keramisches Rohmaterial und ein organisches Bindemittel. Zusätzlich zu dem keramischen Rohmaterial und dem organischen Bindemittel kann das Bildungs-Rohmaterial ferner ein Tensid, ein Sinterhilfsmittel, einen Porenbildner, Wasser und dergleichen enthalten. Das Bildungs-Rohmaterial kann durch Mischen dieser Rohmaterialien erhalten werden.
  • Das keramische Rohmaterial in dem Bildungs-Rohmaterial ist „Keramik“ oder „ein Rohmaterial, das durch Brennen Keramik bildet“. In jedem Fall bildet der keramische Rohstoff nach dem Brennen Keramik. Das keramische Rohmaterial in dem Bildungs-Rohmaterial enthält vorzugsweise metallische Silicium- und Siliciumcarbid-Teilchen (Siliciumcarbid-Pulver) als Hauptkomponenten oder Siliciumcarbid-Teilchen (Siliciumcarbid-Pulver) als Hauptkomponente. Dies kann der resultierenden Wabenstruktur 1 Leitfähigkeit geben. Das metallische Silicium besteht auch vorzugsweise aus metallischen Siliciumteilchen (metallischem Siliciumpulver). Der Ausdruck „enthält metallische Silicium- und Siliciumcarbid-Teilchen als Hauptkomponenten“ bedeutet, dass die Gesamtmasse der metallischen Silicium- und Siliciumcarbid-Teilchen 90 Massen-% oder mehr des Ganzen (keramischen Rohmaterials) beträgt. Beispiele für andere Komponenten als den in dem keramischen Rohmaterial enthaltenen Hauptkomponenten umfassen SiO2, SrCO3, Al2O3, MgCO3 und Cordierit.
  • Wenn das Siliciumcarbid als Hauptbestandteil des keramischen Rohmaterials verwendet wird, wird das Siliciumcarbid durch Brennen gesintert. Wenn das metallische Silicium und die Siliciumcarbid-Teilchen als Hauptkomponenten des keramischen Rohmaterials verwendet werden, werden ferner die Siliciumcarbid-Teilchen als Aggregat durch Brennen mit dem metallischen Silicium als Bindemittel miteinander verbunden.
  • Wenn die Siliciumcarbid-Teilchen (das Siliciumcarbidpulver) und die Metallsilicium-Teilchen (das Metallsiliciumpulver) als keramische Rohmatierialien verwendet werden, beträgt die Masse der Metallsilicium-Teilchen vorzugsweise 10 bis 40 Massen-% bezogen auf die Gesamtmasse der Siliciumcarbid-Teilchen und der Metallsilicium-Teilchen. Die Siliciumcarbid-Teilchen haben vorzugsweise eine durchschnittliche Teilchengröße von 10 bis 50 µm und bevorzugter 15 bis 35 µm. Die metallischen Siliciumteilchen haben vorzugsweise eine durchschnittliche Teilchengröße von 0,1 bis 20 µm und bevorzugter von 1 bis 10 µm. Die durchschnittliche Teilchengröße der Siliciumcarbid-Teilchen und der Metallsilicium-Teilchen ist jeweils ein Wert, der durch ein Laserbeugungsverfahren gemessen wird.
  • Beispiele für das organische Bindemittel umfassen Methylcellulose, Glycerin und Hydroxypropylmethylcellulose. Als organisches Bindemittel kann eine Art von organischem Bindemittel verwendet werden oder es können mehrere Arten von organischen Bindemitteln verwendet werden. Eine Menge des zugemischten organischen Bindemittels beträgt vorzugsweise 5 bis 10 Massenteile, wenn die Gesamtmasse der keramischen Rohstoffe 100 Massenteile beträgt.
  • Als Tensid können Ethylenglykol, Dextrin und dergleichen verwendet werden. Als Tensid kann eine Art von Tensid verwendet werden oder es können mehrere Arten von Tensiden verwendet werden. Eine Menge des zugemischten Tensids beträgt vorzugsweise 0,1 bis 2,0 Massenteile, wenn die Gesamtmasse der keramischen Rohstoffe 100 Massenteile beträgt.
  • Das Sinterhilfsmittel, das verwendet werden kann, enthält SiO2, SrCO3, Al2O3, MgCO3, Cordierit und dergleichen. Als Sinterhilfsmittel kann eine Art von Sinterhilfsmittel verwendet werden oder es können mehrere Arten von Sinterhilfsmitteln verwendet werden. Eine Menge des zugemischten Sinterhilfsmittels beträgt vorzugsweise 0,1 bis 3 Massenteile, wenn die Gesamtmasse der keramischen Rohstoffe 100 Massenteile beträgt.
  • Der Porenbildner ist nicht besonders beschränkt, solange er nach dem Brennen Poren bildet. Beispiele umfassen Graphit, Stärke, geschäumte Harze, wasserabsorbierende Harze und Kieselgel. Als Porenbildner kann eine Art von Porenbildner verwendet werden oder es können mehrere Arten von Porenbildnern verwendet werden. Eine Menge des zugemischten Porenbildners beträgt vorzugsweise 0,5 bis 10 Massenteile, wenn die Gesamtmasse der keramischen Rohstoffe 100 Massenteile beträgt.
  • Eine Menge an zugemischtem Wasser beträgt vorzugsweise 20 bis 60 Massenteile, wenn die Gesamtmasse der keramischen Rohstoffe 100 Massenteile beträgt.
  • Wenn das Bildungs-Rohmaterial extrudiert wird, wird das Bildungs-Rohmaterial zuerst geknetet, um einen Grünkörper zu bilden. Der Grünkörper wird dann extrudiert, um ein geformtes Wabenprodukt zu erhalten. Der geformte Wabenkörpers hat eine poröse Trennwand 15, die die Zellen 14 definiert, die sich jeweils von der Fluidzuflussstirnfläche 13a zu der Fluidabflussstirnfläche 13b erstrecken. Die Trennwand 15 des wabenförmigen Körpers ist eine nicht getrocknete und nicht gebrannte Trennwand 15.
  • (Herstellungsschritt des getrockneten Wabenkörpers)
  • Im Schritt eines getrockneten Wabenkörpers wird zuerst der resultierende geformte Wabenkörper getrocknet, um einen getrockneten Wabenkörper herzustellen. Die Trocknungsbedingungen sind nicht besonders eingeschränkt und bekannte Bedingungen können verwendet werden. Beispielsweise ist es bevorzugt, den geformten Wabenkörper bei einer Temperatur von 80 bis 120 °C 0,5 bis 5 Stunden lang zu trocknen.
  • (Herstellungsschritt des Wabenkörpers mit ungebrannten Elektroden)
  • Im Herstellungsschritt des Wabenkörpers mit ungebrannten Elektroden wird zunächst eine elektrodenbildende Aufschlämmung, die das keramische Rohmaterial und Wasser enthält, auf die Seitenfläche des getrockneten Wabenkörpers aufgebracht. Die elektrodenbildende Aufschlämmung wird dann getrocknet, um ungebrannte Elektroden zu bilden, um einen Wabenkörper mit ungebrannten Elektroden zu erzeugen.
  • Für den Wabenkörper mit ungebrannten Elektroden ist der getrocknete Wabenkörper vorzugsweise mit breiten rechteckigen ungebrannten Elektroden versehen, die sich jeweils in einer Bandform in der Ausdehnungsrichtung der Zellen 14 erstrecken und sich auch in Umfangsrichtung ausbreiten. Die Umfangsrichtung bezieht sich auf eine Richtung entlang der Seitenfläche des getrockneten Wabenkörpers in dem Querschnitt senkrecht zu der Ausdehnungsrichtung der Zellen 14.
  • Die in dem Herstellungsschritt des Wabenkörpers mit ungebrannten Elektroden verwendete elektrodenbildende Aufschlämmung enthält ein keramisches Rohmaterials und Wasser. Die elektrodenbildende Aufschlämmung kann ein Tensid, einen Porenbildner, Wasser und dergleichen enthalten.
    Es ist bevorzugt, als keramisches Rohmaterial das keramische Rohmaterial zu verwenden, das beim Herstellen des wabenförmigen Körpers verwendet wird. Wenn beispielsweise die Hauptkomponenten des keramischen Rohmaterials, das beim Herstellen des wabenförmigen Körpers verwendet wird, die Siliciumcarbid-Teilchen und das metallische Silicium sind, können die Siliciumcarbid-Teilchen und das metallische Silicium auch als keramische Rohmaterialien der elektrodenbildenden Aufschlämmung verwendet werden.
  • Ein Verfahren zum Aufbringen der elektrodenbildenden Aufschlämmung auf die Seitenfläche des getrockneten Wabenkörpers ist nicht besonders eingeschränkt. Die elektrodenbildende Aufschlämmung kann beispielsweise unter Verwendung eines Pinsels oder unter Verwendung einer Drucktechnik aufgebracht werden.
  • Die elektrodenbildende Aufschlämmung hat vorzugsweise eine Viskosität von 500 Pa·s oder weniger und bevorzugter 10 bis 200 Pa·s bei 20 °C. Die Viskosität der elektrodenbildenden Aufschlämmung von 500 Pa·s oder weniger kann das Aufbringen der elektrodenbildenden Aufschlämmung auf die Seitenfläche des getrockneten Wabenkörpers einfach machen.
  • Nach dem Aufbringen der elektrodenbildenden Aufschlämmung auf den getrockneten Wabenkörper kann die elektrodenbildende Aufschlämmung getrocknet werden, um ungebrannte Elektroden (den Wabenkörper mit ungebrannten Elektroden) zu erhalten. Die Trocknungstemperatur beträgt vorzugsweise 80 bis 120 °C. Die Trocknungszeit beträgt vorzugsweise 0,1 bis 5 Stunden.
  • (Herstellungsschritt der Wabenstruktur)
  • In dem Herstellungsschritt einer Wabenstruktur wird der Wabenkörper mit den ungebrannten Elektroden gebrannt, um die Wabenstruktur 1 herzustellen. Die Brennbedingungen können in geeigneter Weise gemäß dem Typ des keramischen Rohmaterials, das bei der Herstellung des wabenförmigen Körpers verwendet wird, und dem Typ des keramischen Rohmaterials, das in der elektrodenbildenden Aufschlämmung verwendet wird, bestimmt werden.
    Ferner wird vorzugsweise nach dem Trocknen des geformten Wabenkörpers mit den ungebrannten Elektroden und vor dem Brennen eine Kalzinierung durchgeführt, um das Bindemittel und dergleichen zu entfernen. Die Kalzinierung wird vorzugsweise in einer Luftatmosphäre bei einer Temperatur von 400 bis 500 °C für 0,5 bis 20 Stunden durchgeführt.
  • Wenn der Harnstoffhydrolysekatalysator 40 beispielsweise auf der Wabenstruktur 1 getragen wird, kann die Wabenstruktur 1 in einen Behälter eingetaucht werden, in dem eine Aufschlämmung des Harnstoffhydrolysekatalysators 40 untergebracht ist. Durch Anpassen einer Viskosität der Aufschlämmung des Harnstoffhydrolysekatalysators 40, einer-Teilchengröße des enthaltenen Harnstoffhydrolysekatalysators 40 und dergleichen kann der Katalysator nicht nur auf den Oberflächen der Trennwand 15, sondern auch in den Poren der Trennwand 15 getragen werden, und auch eine Menge des zu tragenden Katalysators kann angepasst werden. Ferner kann die Menge des zu tragenden Katalysators auch durch mehrmaliges Ansaugen der Aufschlämmung angepasst werden.
  • Herstellung der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100
  • Die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 kann hergestellt werden, indem die Wabenstruktur 1 in den inneren Zylinder 2 eingesetzt wird, die Wabenstruktur 1 über den Isolationshalteabschnitt 23 in dem inneren Zylinder 2 fixiert wird und die Harnstoff-Sprühvorrichtung 3 an einem Ende (einlassseitigen Endabschnitt) des inneren Zylinders 2 angeordnet wird und dann jeder der Verbinder 17 des inneren Zylinders 2 mit jedem der vorstehenden Elektrodenanschlussabschnitte 16, die auf dem Paar Elektrodenabschnitten 12 angeordnet sind, über die elektrische Verdrahtung 18 verbunden wird, und dann der innere Zylinder 2 in den äußeren Zylinder 4 eingesetzt wird und sie so fixiert werden, dass sich die Harnstoff-Sprühvorrichtung 3 an dem auslassseitigen Endabschnitt des äußeren Zylinders 4 befindet.
  • Als Nächstes wird ein Verfahren zum Verwenden der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 der vorliegenden Ausführungsform im Einzelnen beschrieben.
    (3) Verfahren zum Verwenden einer Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 Die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform führt die wässrige Harnstofflösung als Rohmaterial zu, wodurch der Harnstoff in der wässrigen Harnstofflösung zersetzt wird, um Ammoniak zu erzeugen, und spritzt das erzeugte Ammoniak nach außen ein. Insbesondere wird der Strom durch den Wabenstrukturabschnitt 11 geleitet, um die Temperatur zu erhöhen, (Erwärmung) die wässrige Harnstofflösung wird der Harnstoff-Sprühvorrichtung 3 zugeführt und die wässrige Harnstofflösung wird aus der Harnstoff-Sprühvorrichtung 3 in Richtung der Seite der Fluidzuflussstirnfläche 13a des Wabenstrukturabschnitts 11 gesprüht. In diesem Fall wird durch Einleiten des Trägergases, das zuvor durch Wärmeaustausch mit dem durch Stromleitung erwärmten Wabenstrukturabschnitt 11 erwärmt wurde, auf der Seite der Fluidzuflussstirnfläche 13a des Wabenstrukturabschnitts 11 das Fließen der wässrigen Harnstofflösung erleichtert, um zu verhindern, dass die wässrige Harnstofflösung in dem Wabenstrukturabschnitt 11 stockt. Die aus der Harnstoff-Sprühvorrichtung 3 gesprühte wässrige Harnstofflösung wird durch den Wabenstrukturabschnitt 11 erwärmt und verdampft. Aufgrund des erhöhten Drucks in dem Bereich zwischen dem Wabenstrukturabschnitt 11 und der Harnstoff-Sprühvorrichtung 3, der durch das Verdampfen der wässrigen Harnstofflösung verursacht wird, und aufgrund des Flusses des Trägergases tritt die aus der Harnstoff-Sprühvorrichtung 3 gesprühte wässrige Harnstofflösung von der Fluidzuflussstirnfläche 13a in die Zellen 14 des Wabenstrukturabschnitts 11 ein. Der Harnstoff in der den Zellen 14 zugeführten wässrigen Harnstofflösung wird durch die Temperatur des erhitzten Wabenstrukturabschnitts 11 zersetzt, um das Ammoniak zu erzeugen.
  • Die Menge der zugeführten wässrigen Harnstofflösung ist nicht besonders beschränkt und beträgt vorzugsweise 1,0 bis 2,0 in einem Äquivalentverhältnis zu der Menge der im Abgas enthaltenen Stickoxide (NOx). Wenn das Äquivalentverhältnis weniger als 1,0 beträgt, kann die Menge der ohne Reinigung abgegebenen Stickoxide steigen. Wenn der SCR-Katalysator jedoch mit einer NOx-Speicherfunktion versehen ist, kann es einen Zeitraum geben, in dem das Äquivalentverhältnis weniger als 1,0 beträgt. Wenn das Äquivalentverhältnis mehr als 2,0 beträgt, besteht die Gefahr, dass wahrscheinlich das Abgas mit dem in das Abgas gemischten Ammoniak abgelassen wird.
  • Die wässrige Harnstofflösung ist vorzugsweise eine wässrige Lösung, die 10 bis 40 Massen-% Harnstoff enthält, obwohl sie nicht speziell darauf beschränkt ist. Wenn der Harnstoffgehalt weniger als 10 Massen-% beträgt, ist es notwendig, eine große Menge der wässrigen Harnstofflösung zu sprühen, um NOx zu reduzieren, und eine Menge elektrischer Energie, die erforderlich ist, um den Strom zum Erhitzen des Wabenstrukturabschnitts 11 durchzuleiten, kann steigen. Wenn der Harnstoffgehalt mehr als 40 Massen-% beträgt, besteht die Sorge, dass sich der Harnstoff in kalten Regionen verfestigt. Bevorzugte Beispiele für die wässrige Harnstofflösung sind AdBlue (eine wässrige Lösung mit 32,5 Massen-% Harnstoff; eine eingetragene Marke des Verbands der Automobilindustrie (VDA)), die auf dem Markt weit verbreitet ist).
  • Die Erwärmungstemperatur des Wabenstrukturabschnitts 11 beträgt vorzugsweise 160 °C oder mehr und bevorzugter 160 bis 600 °C und noch bevorzugter 250 bis 400 °C. Die Erwärmungstemperatur von 160 °C oder mehr kann zu einer problemlosen und effizienten Zersetzung des Harnstoffs führen. Die Erwärmungstemperatur von 600 °C oder weniger kann das Ausbrennen des Ammoniaks ermöglichen und verhindern, dass das Ammoniak nicht der Abgasrohr zugeführt wird. Ferner ist es bevorzugt, dass die Erwärmungstemperatur des Wabenstrukturabschnitts 11 360 °C oder mehr beträgt, da Schwefelverbindungen wie etwa Ammoniumhydrogensulfat und Ammoniumsulfat, die auf der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 ausgefällt sind, entfernt werden können.
  • Die maximale Spannung, die an den Wabenstrukturabschnitt 11 angelegt wird, beträgt vorzugsweise 12 bis 200 V und bevorzugter 12 bis 100 V und noch bevorzugter 12 bis 48 V. Die maximale Spannung von 12 V oder mehr kann ermöglichen, dass die Temperatur des Wabenstrukturabschnitts 11 leicht erhöht werden kann. Die maximale Spannung von 200 V oder weniger kann verhindern, dass eine Vorrichtung zum Erhöhen der Spannung teuer wird.
  • <Ausführungsform 2>
  • 4 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt (eine schematische Querschnittsansicht parallel zu einer Ausdehnungsrichtung von Zellen eines Wabenstrukturabschnitts).
    Wie es in 4 gezeigt ist, hat eine Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 200 gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine andere Konfiguration als die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 gemäß Ausführungsform 1, da die erstere einen Abschnitt mit reduziertem Durchmesser 25 aufweist, der in dem inneren Zylinder 2 ausgebildet ist. Andere Konfigurationen der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 200 gemäß der vorliegenden Ausführungsform entsprechen der der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 gemäß Ausführungsform 1. Daher werden Beschreibungen der anderen Konfigurationen weggelassen und nur Unterschiede werden im Einzelnen beschrieben.
  • Bei der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 200 gemäß der vorliegenden Ausführungsform befindet sich der Abschnitt mit reduziertem Durchmesser 25 des inneren Zylinders 2 zwischen dem Wabenstrukturabschnitt 11 und der Harnstoff-Sprühvorrichtung 3 und der Trägergaseinleitungsanschluss 22 ist an dem Abschnitt mit reduziertem Durchmesser bereitgestellt. Eine solche Konfiguration kann es ermöglichen, einen Freiheitsgrad der Position zum Bilden der Trägergaseinleitungsanschluss 22 zu erhöhen, so dass die Trägergaseinleitungsanschluss 22 unabhängig von der Form und Größe der Harnstoff-Sprühvorrichtung 3 leicht bereitgestellt werden kann. Ferner kann die Bereitstellung des Trägergaseinleitungsanschlusses 22 an dem Abschnitt mit reduziertem Durchmesser 25 zu einem einfachen und gleichmäßigen Fluss des Trägergases von der Seite der Fluidzuflussstirnfläche 13a zu der Seite der Fluidabflussstirnfläche 13b führen und verhindern, dass die Sprührichtung der aus der Harnstoff-Sprühvorrichtung 3 gesprühten wässrigen Harnstofflösung stört. Daher ist es möglich, die Menge der gesprühten wässrigen Harnstofflösung zu erhöhen und gleichzeitig die Wirkung der Unterdrückung der Harnstoffablagerungen zu verbessern.
    Bei Verwendung hierin bedeutet der „Abschnitt mit verringertem Durchmesser 25“ einen Abschnitt mit einem niedrigeren Durchmesser und der Abschnitt kann eine abgestufte Form oder eine sich verjüngende Form haben.
  • Für den Trägergaseinleitungsanschluss 22, der in dem Abschnitt 25 mit reduziertem Durchmesser bereitgestellt ist, sind mehrere Trägergaseinleitungsanschlüsse 22 in dem Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung des inneren Zylinders 2 konzentrisch um die Harnstoff-Sprühvorrichtung 3 bereitgestellt. In dem so mehrere Trägergaseinleitungsanschlüsse 22 ausgebildet werden, kann das Trägergas in ausgewogener Weise auf der Seite der Fluidzuflussstirnfläche 13a eingeleitet werden, so dass die wässrige Harnstofflösung reibungsloser in den Wabenstrukturabschnitt 11 eingespeist werden kann.
  • <Ausführungsform 3>
  • 5 ist eine schematische Querschnittsansicht (eine schematische Querschnittsansicht parallel zu der Ausdehnungsrichtung der Zellen des Wabenstrukturabschnitts), die eine Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung gemäß Ausführungsform 3 gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
    Wie es in 5 gezeigt ist, weist eine Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 300 gemäß der vorliegenden Ausführungsform insofern eine andere Konfiguration als die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 auf, als die erstere ferner einen Harnstoffhydrolysekatalysatorkörper 51 umfasst, der auf der Seite der Fluidabflussstirnfläche 13b des Wabenstrukturabschnitts 11 beabstandet von der Fluidabflussstirnfläche 13b angeordnet ist. Daneben sind andere Konfigurationen der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 300 gemäß der vorliegenden Ausführungsform die gleichen wie diejenigen der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 gemäß Ausführungsform 1. Daher werden die Beschreibungen der anderen Konfigurationen weggelassen und nur der Unterschied wird sein im Einzelnen beschrieben.
  • Bei der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 300 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist der Harnstoffhydrolysekatalysatorkörper 51, der von der Fluidabflussstirnfläche 13b beabstandet ist, auf der Seite der Fluidabflussstirnfläche 13b des Wabenstrukturabschnitts 11 bereitgestellt. Bei einer solchen Konfiguration kann nicht umgesetzter Harnstoff in dem Wabenstrukturabschnitt 11 durch den Harnstoffhydrolysekatalysatorkörper 51 in Ammoniak zersetzt werden, so dass die Effizienz der Ammoniakproduktion verbessert wird.
    Der Harnstoffhydrolysekatalysatorkörper 51 ist vorzugsweise eine Wabenstruktur, auf der ein Harnstoffhydrolysekatalysator getragen wird. Ein Träger (eine Wabenstruktur), der für den Harnstoffhydrolysekatalysatorkörper 51 verwendet wird, kann die gleiche Struktur und das gleiche Material aufweisen wie die stromaufwärts bereitgestellten Wabenstrukturen 1. Die für den Harnstoffhydrolysekatalysatorkörper 51 verwendete Wabenstruktur weist möglicherweise kein Paar Elektrodenabschnitte 12 auf, kann jedoch dazu ausgelegt sein, durch Stromleitung erwärmt zu werden, wie dies bei der stromaufwärts bereitgestellten Wabenstruktur 1 der Fall ist.
  • Der Harnstoffhydrolysekatalysatorkörper 51 kann den Harnstoffhydrolysekatalysator nach Herstellen der Wabenstruktur (Träger) wie bei der stromaufwärts bereitgestellten Wabenstruktur 1 auf der Wabenstruktur tragen. Das Verfahren zum Tragen des Harnstoffhydrolysekatalysators auf der Wabenstruktur ist wie oben beschrieben.
    Obwohl der Harnstoffhydrolysekatalysatorkörper 51 zu der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 gemäß der Ausführungsform in 5 hinzugefügt ist, kann er auch zu der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 200 gemäß Ausführungsform 2 hinzugefügt sein.
  • <Ausführungsform 4>
  • 6 und 7 sind schematische Querschnittsansichten, die Abgasbehandlungsvorrichtungen gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung zeigen.
    Wie es in 6 und 7 gezeigt ist, umfassen die Abgasbehandlungsvorrichtungen 400, 500 gemäß der vorliegenden Ausführungsform jeweils: ein Abgasrohr 61, durch das das Abgas strömt; die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 zum Einspritzen des Ammoniaks in das Abgasrohr 61; und einen SCR-Katalysator 62, der an dem Abgasrohr 61 auf einer stromabwärtigen Seite einer Position, in die das Ammoniak eingespritzt wird, angeordnet ist.
  • Das Abgasrohr 61 ist ein Rohr, durch das ein Abgas (ein NOx enthaltendes Abgas), das von verschiedenen Kraftmaschinen und dergleichen abgegeben wird, geleitet wird und in dem das Abgas und Ammoniak gemischt werden. Die Größe des Abgasrohrs 61 ist nicht besonders eingeschränkt und kann in Abhängigkeit von Abgassystemen wie Kraftmaschinen, an denen die Abgasaufbereitungsvorrichtungen 400, 500 gemäß der vorliegenden Ausführungsform angebracht sind, angemessen bestimmt werden. Das Abgasrohr 61 hat eine nicht beschränkte Länge in der Gasströmungsrichtung, aber es hat vorzugsweise eine Länge, bei der ein Abstand zwischen der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 und dem SCR-Katalysator 62 auf einen geeigneten Abstand eingestellt werden kann.
  • Ein Material des Abgasrohrs 61 ist nicht besonders beschränkt, aber ein Material, das durch das Abgas schwer zu korrodieren ist, ist vorzuziehen. Beispiele für das Material des Abgasrohrs 61 umfassen Edelstahl und dergleichen.
  • Die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 ist an dem Abgasrohr 61 angebracht und spritzt das Ammoniak in das Abgasrohr 61 ein. Durch Einspritzen des Ammoniaks in das Abgasrohr 61 aus der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 wird ein Mischgas aus dem Ammoniak und dem Abgas in dem Abgasrohr 61 erzeugt.
    Wie es in 6 gezeigt ist, kann eine Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 an dem Abgasrohr 61 angebracht sein. Wie es ferner in 7 gezeigt ist, können zwei Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtungen an dem Abgasrohr 61 angebracht sein. In diesem Fall kann die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung auf der stromabwärtigen Seite die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 oder eine herkömmliche Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 600 (z. B. die Harnstoff-Sprühvorrichtung 3) sein, die das Reduktionsmittel (Harnstoffwasser) ohne Erwärmen versprüht. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung auf der stromabwärtigen Seite die herkömmliche Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 600, die das Reduktionsmittel (Harnstoffwasser) ohne Erwärmen versprüht. Dies liegt daran, dass dann, wenn die Menge an NOx in dem Abgas niedriger ist (wenn die Temperatur des Abgases niedriger ist), der größte Teil des NOx durch die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 und den SCR-Katalysator 62 auf der stromaufwärtigen Seite bereinigt wird, und dann, wenn die Menge an NOx in dem Abgas höher ist (wenn die Temperatur des Abgases höher ist), das von der herkömmlichen Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 600 gesprühte Harnstoffwasser durch die Temperatur des Abgases in Ammoniak zersetzt wird. Ferner können, obwohl dies nicht gezeigt ist, nach Bedarf drei oder mehr Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtungen 100 an dem Abgasrohr 61 angebracht sein.
    Wenn das Abgas als Trägergas verwendet wird, das in die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 eingeleitet werden soll, wie es in 6 und 7 gezeigt ist, ist das Abgasrohr 61 stromaufwärts von der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 verzweigt und ein verzweigter Strömungsweg 63 ist mit einem Trägergaseinleitungsanschluss 41 verbunden. Wenn andererseits ein anderes Trägergas als das Abgas (beispielsweise ein Einlassgas) verwendet wird, ist der Trägergaseinleitungsanschluss 41 über ein Verbindungsrohr oder dergleichen mit einer Trägergaszufuhrquelle verbunden.
  • Der SCR-Katalysator 62 in Form eines Katalysatorkörpers (die Wabenstruktur, auf der der SCR-Katalysator 62 gelagert ist) ist an dem Abgasrohr 61 stromabwärts der Position angeordnet, an der das Ammoniak eingespritzt wird. Wie es in 6 gezeigt ist, ist daher dann, wenn eine Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 an dem Abgasrohr 61 angebracht ist, der SCR-Katalysator 62 an dem Abgasrohr 61 auf der stromabwärtigen Seite der Position, an der die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 angebracht ist, angeordnet. Wie es in 7 gezeigt ist, sind dann, wenn zwei Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtungen an dem Abgasrohr 61 angebracht sind, die SCR-Katalysatoren 62 an dem Abgasrohr 61 jeweils auf der stromabwärtigen Seite der Positionen, an denen jeweils die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 und die herkömmliche Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 600 angebracht sind, angeordnet.
    Beispiele für den SCR-Katalysator 62 umfassen Katalysatoren auf Vanadiumbasis und Katalysatoren auf Zeolithbasis.
    Wenn der SCR-Katalysator 62 als Katalysatorkörper verwendet wird, der auf der Wabenstruktur getragen wird, ist es bevorzugt, den Katalysatorkörper in einem Behälter aufzunehmen und den Behälter auf der stromabwärtigen Seite an dem Abgasrohr 61 anzubringen.
    Die Wabenstruktur, die den SCR-Katalysator 62 trägt, ist nicht besonders beschränkt und auf dem Fachgebiet bekannte Wabenstrukturen können verwendet werden.
  • Es ist bevorzugt, dass ein Filter zum Sammeln von Partikeln in dem Abgas auf der stromaufwärtigen Seite des Abgasrohrs 61 angeordnet ist. Beispiele für den Filter zum Sammeln von Partikeln umfassen einen keramischen DPF (Dieselpartikelfilter) 64 mit einer Wabenform. Ferner ist es bevorzugt, dass ein Oxidationskatalysator 65 zum Entfernen von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid in dem Abgas auf der stromaufwärtigen Seite des Abgasrohrs 61 angeordnet ist. Der Oxidationskatalysator 65 befindet sich vorzugsweise in einem Zustand, in dem er auf einer Wabenstruktur aus Keramik getragen wird (Oxidationskatalysator). Bevorzugte Beispiele des Oxidationskatalysators 65, die verwendet werden können, umfassen Edelmetalle wie Platin (Pt), Palladium (Pd) und Rhodium (Rh). Wenn eine Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 an dem Abgasrohr 61 angebracht ist, sind der DPF 64 und der Oxidationskatalysator 65 an dem Abgasrohr 61 auf der stromaufwärtigen Seite der Position, an der das Ammoniak durch die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 eingespritzt wird, angeordnet, wie es in 6 gezeigt ist. Wenn ferner zwei Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtungen 100 an dem Abgasrohr 61 angebracht sind, sind der DPF 64 und der Oxidationskatalysator 65 an dem Abgasrohr 64 auf der stromaufwärtigen Seite der Position, an der das Ammoniak durch die herkömmliche Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 600 eingespritzt wird, und auf der stromabwärtigen Seite des SCR-Katalysators 62 auf der stromabwärtigen Seite der Position, an der die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 angebracht ist, angeordnet, wie es in 7 gezeigt ist.
  • Es ist bevorzugt, einen Ammoniakentfernungskatalysator (Oxidationskatalysator) zum Entfernen von Ammoniak auf der stromabwärtigen Seite des SCR-Katalysators 62 anzuordnen. Eine solche Konfiguration kann verhindern, dass Ammoniak nach außen abgegeben wird, wenn überschüssiges Ammoniak, das nicht zum Entfernen von NOx in dem Abgas verwendet wurde, auf die stromabwärtige Seite strömt. Bevorzugte Beispiele des Oxidationskatalysators, der auf der stromabwärtigen Seite des SCR-Katalysators 62 angeordnet ist, umfassen Edelmetalle wie Platin (Pt), Palladium (Pd) und Rhodium (Rh).
  • In der obigen Beschreibung wurde die Verwendung der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 von Ausführungsform 1 beschrieben. Es können jedoch die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtungen 200, 300 der Ausführungsformen 2 und 3 verwendet werden.
  • <Ausführungsform 5>
  • Bei einem Verfahren zum Behandeln eines Abgases gemäß Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung wird das in den Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtungen gemäß den Ausführungsformen 1 bis 3 erzeugte Ammoniak in das Abgas eingespritzt und das mit dem Ammoniak vermischte Abgas wird mit dem SCR-Katalysator reduziert. Somit kann das NOx in dem Abgas entfernt werden. Das Verfahren zum Behandeln des Abgases kann unter Verwendung der Abgasbehandlungsvorrichtung 400, 500 gemäß Ausführungsform 4 leicht durchgeführt werden.
  • Die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtungen 100, 200, 300 können das Trägergas, das zuvor durch Austauschen von Wärme mit dem durch Stromleitung erwärmten Wabenstrukturabschnitt 11 erwärmt wurde, zusammen mit der wässrigen Harnstofflösung, die aus der Harnstoff-Sprühvorrichtung 3 gesprüht wird, der Seite der Fluidzuflussstirnfläche 13a des Wabenstrukturabschnitts 11 zuführen. Insbesondere wird die Temperaturverteilung in dem Wabenstrukturabschnitt 11 verringert, indem das Trägergas dem Wabenstrukturabschnitt 11 zugeführt wird und der Wärmeaustausch zwischen dem Wabenstrukturabschnitt 11 mit dem äußeren Umfangsabschnitt, der tendenziell lokal höher ist, und dem Trägergas bewirkt wird. Daher ist es schwierig, den Wabenstrukturabschnitt 11 zu beschädigen, und der Wabenstruktur 1 kann eine höhere Leistung zugeführt werden. Ferner kann das Trägergas durch den Wabenstrukturabschnitt 11 strömen, wodurch verhindert wird, dass der Harnstoff in dem Wabenstrukturabschnitt 11 verbleibt, so dass die Erzeugungsgrenze für Harnstoffablagerungen erhöht werden kann. Ferner kann das durch Erhitzen zersetzte Ammoniak durch das Trägergas nach außen abgegeben werden, so dass die Reaktivität verbessert wird. Zudem kann das Trägergas zuvor durch Wärmeaustausch mit dem Wabenstrukturabschnitt 11 erwärmt werden, so dass eine geringere elektrische Leistung, die der Wabenstruktur 1 zugeführt wird, eingestellt werden kann. Wenn die Menge des eingespritzten Harnstoffs geringer ist, kann die elektrische Leistung 0 W betragen.
  • Eine Temperatur und eine Durchflussmenge des Trägergases und eine der Wabenstruktur 1 zugeführte Leistung werden vorzugsweise so angepasst, dass eine Temperatur der Fluidzuflussstirnfläche 13a des Wabenstrukturabschnitts 11150 °C oder höher und vorzugsweise 250 °C oder höher ist. Um eine solche Temperatursteuerung durchzuführen, ist die Temperatur des Trägergases beispielsweise vorzugsweise 100 °C oder höher und die Durchflussmenge beträgt vorzugsweise 10 l/min oder mehr. Die der Wabenstruktur 1 zugeführte Leistung beträgt vorzugsweise 150 bis 500 W.
  • Eine Menge des von der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100, 200, 300 eingespritzten Ammoniaks beträgt vorzugsweise 1,0 bis 2,0 in einem Äquivalentverhältnis zu der Menge des in dem Abgas enthaltenen Stickoxids. Wenn das Äquivalentverhältnis weniger als 1,0 beträgt, kann sich die Menge der ohne Reinigung abgegebenen Stickoxide erhöhen. Wenn das Äquivalentverhältnis mehr als 2,0 beträgt, besteht die Gefahr, dass das Abgas wahrscheinlich mit dem in dem Abgas gemischten Ammoniak abgegeben wird.
  • Es ist bevorzugt, dass die versprühte Menge der wässrigen Harnstofflösung und die Temperatur (Leistungsversorgung) des Wabenstrukturabschnitts 11 durch eine elektronische Steuereinheit gesteuert werden. Ferner kann die Temperatur aus einem Widerstandswert des Wabenstrukturabschnitts 11 berechnet werden und die Temperatur des Wabenstrukturabschnitts 11 kann so gesteuert werden, dass die berechnete Temperatur eine gewünschte Temperatur ist.
  • INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
  • Die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung, die Abgasbehandlungsvorrichtung und das Verfahren zum Behandeln des Abgases gemäß der vorliegenden Erfindung können in geeigneter Weise zur Bereinigung von NOx in den Abgasen, die von verschiedenen Kraftmaschinen und dergleichen abgegeben werden, verwendet werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Wabenstruktur
    2
    Innerer Zylinder
    3
    Harnstoff-Sprühvorrichtung
    4
    Äußerer Zylinder
    11
    Wabenstrukturabschnitt
    12
    Elektrodenabschnitt
    13a
    Fluidzuflussstirnfläche
    13b
    Fluidabflussstirnfläche
    14
    Zelle
    15
    Trennwand
    16
    Vorstehender Elektrodenanschlussabschnitt
    17
    Verbinder
    18
    Elektrische Verdrahtung
    21
    Einspritzanschluss
    22
    Trägergaseinleitungsanschluss
    23
    Isolationshalteabschnitt
    24
    Schließfläche
    25
    Abschnitt mit reduziertem Durchmesser
    41
    Trägergaseinleitungsanschluss
    51
    Harnstoffhydrolysekatalysatorkörper
    61
    Abgasrohr
    62
    SCR-Katalysator
    63
    Verzweigter Strömungsweg
    64
    DPF
    65
    Oxidationskatalysator
    100, 200, 300
    Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung
    400, 500
    Abgasbehandlungsvorrichtung
    600
    Herkömmliche Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2014/148506 [0004]

Claims (12)

  1. Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung, die umfasst: eine Wabenstruktur, die umfasst: einen säulenförmigen Wabenstrukturabschnitt mit einer Trennwand, die mehrere Zellen definiert, die sich jeweils von einer Fluidzuflussstirnfläche zu einer Fluidabflussstirnfläche erstrecken; und mindestens ein Paar Elektrodenabschnitte, die dazu ausgelegt sind, den Wabenstrukturabschnitt durch Leiten eines Stroms zu erwärmen, wobei das Paar Elektrodenabschnitte auf einer Seitenfläche des Wabenstrukturabschnitts angeordnet ist, wobei die Wabenstruktur so ausgelegt ist, dass sie Harnstoff in einer wässrigen Harnstofflösung in dem Wabenstrukturabschnitt, der durch Leiten des Stroms erwärmt wird, zersetzen kann, um Ammoniak zu erzeugen; einen inneren Zylinder, der dazu ausgelegt ist, die Wabenstruktur aufzunehmen, wobei der innere Zylinder einen Trägergaseinleitungsanschluss aufweist, der dazu ausgelegt ist, ein Trägergas auf der Seite der Fluidzuflussstirnfläche einzuleiten; eine Harnstoff-Sprühvorrichtung, die dazu ausgelegt ist, die wässrige Harnstofflösung auf die Seite der Fluidzuflussstirnfläche des Wabenstrukturabschnitts zu sprühen, wobei die Harnstoff-Sprühvorrichtung an einem Ende des inneren Zylinders angeordnet ist; und einen äußeren Zylinder, der an einer äußeren Umfangsseite des inneren Zylinders angeordnet ist, wobei der äußere Zylinder von dem inneren Zylinder beabstandet ist und einen Trägergaseinleitungsanschluss aufweist, der dazu ausgelegt ist, zu ermöglichen, dass das beförderte Gas von der Seite der Fluidabflussstirnfläche des Wabenstrukturabschnitts einströmt, wobei ein Strömungsweg, durch den das Trägergas strömt, zwischen dem inneren Zylinder und dem äußeren Zylinder ausgebildet ist und die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung so ausgelegt ist, dass das Trägergas, das durch den Strömungsweg strömt, durch Wärmeaustausch mit dem durch Leiten des Stroms erwärmten Wabenstrukturabschnitt erwärmt werden kann.
  2. Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein Ende des inneren Zylinders, an dem die Harnstoff-Sprühvorrichtung angeordnet ist, eine der Fluidzuflussstirnfläche des Wabenstrukturabschnitts gegenüberliegende Schließfläche aufweist und der Trägergaseinleitungsanschluss auf der Seite der Schließfläche bereitgestellt ist.
  3. Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der innere Zylinder einen Abschnitt mit reduziertem Durchmesser an einer Position zwischen dem Wabenstrukturabschnitt und der Harnstoff-Sprühvorrichtung aufweist und der Trägergaseinleitungsanschluss an dem Abschnitt mit reduziertem Durchmesser bereitgestellt ist.
  4. Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei mehrere Trägergaseinleitungsanschlüsse in einem Querschnitt senkrecht zu einer Längsrichtung des inneren Zylinders konzentrisch um die Harnstoff-Sprühvorrichtung bereitgestellt sind.
  5. Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Trägergaseinleitungsanschluss eine kreisförmige Form aufweist.
  6. Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Trägergas ein Abgas ist.
  7. Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, der ferner einen Harnstoffhydrolysekatalysatorkörper umfasst, der auf der Seite der Fluidabflussstirnfläche des Wabenstrukturabschnitts angeordnet ist, wobei der Harnstoffhydrolysekörper von der Fluidabflussstirnfläche getrennt ist.
  8. Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Wabenstrukturabschnitt einen spezifischen elektrischen Widerstand von 0,01 bis 500 Ωcm aufweist.
  9. Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Wabenstrukturabschnitt ein Silicium-Siliciumcarbid-Verbundmaterial oder Siliciumcarbid als Hauptkomponente enthält.
  10. Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Wabenstrukturabschnitt einen Oberflächeninhalt pro Volumeneinheit von 5 cm2/cm3 oder mehr aufweist.
  11. Abgasbehandlungsvorrichtung, die umfasst: ein Abgasrohr, durch das ein Abgas strömt; die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, die dazu ausgelegt ist, Ammoniak in das Abgasrohr einzuspritzen; und einen SCR-Katalysator, der an dem Auslasszylinder auf einer stromabwärtigen Seite einer Position, an der das Ammoniak eingespritzt wird, angeordnet ist.
  12. Verfahren zum Behandeln eines Abgases, wobei das Verfahren ein Einspritzen von erzeugtem Ammoniak in das Abgas durch die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 und ein Reduzieren des mit dem Ammoniak vermischten Abgases durch einen SCR-Katalysator umfasst.
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